周樂木， 殷 源， 李偉業(yè)， 謝 超

(湖北省路橋集團有限公司， 湖北 武漢 430056)

隨著我國各項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，建筑規(guī)模不斷擴大?；炷磷鳛橐环N性能穩(wěn)定、受力性能較好的材料，目前被廣泛應(yīng)用于我國橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施中。重力式錨碇作為懸索橋主要受力構(gòu)件，具有施工質(zhì)量和技術(shù)要求高、單方混凝土用量大、連續(xù)性整體澆筑高等特點。同時，由于重力式錨碇尺寸較大，在施工過程中溫度控制、分層施工工藝等因素直接影響著其后期使用過程中的工作性能。因此，針對重力式錨碇大體積混凝土施工過程中溫度應(yīng)力分析、溫度場控制，提出有效的施工工藝是目前工程界重點關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

國內(nèi)外很多學(xué)者針對大體積混凝土施工過程中溫度場分布及溫度應(yīng)力分析進(jìn)行了大量的理論及試驗研究。美國的威爾遜教授[1]最早利用有限元時間過程分析法來分析混凝土溫度場；日本的專家學(xué)者[2,3]不僅考慮了混凝土徐變應(yīng)力場的計算，而且對溫度應(yīng)力場也進(jìn)行了深入研究；國內(nèi)方面，劉寧等[4]綜合考慮各種隨機因素對三維大體積混凝土結(jié)構(gòu)隨機溫度場的計算方法進(jìn)行了研究，提出了基于隨機場局部平均的溫度場隨機變分原理和隨機有限元列式，并首次視復(fù)頻響應(yīng)函數(shù)為隨機函數(shù)，給出了復(fù)頻響應(yīng)函數(shù)-隨機有限元法，有效地克服了譜密度法求解隨機溫度場時不能考慮材料物理參數(shù)隨機性的局限性。針對采用統(tǒng)一的時間步長計算不經(jīng)濟的特點，朱伯芳[5]提出了一種求解不穩(wěn)定溫度場的分區(qū)異步長解法。即在溫度變化劇烈的區(qū)域采用較小的時間步長，而在溫度變化速率較小的區(qū)域采用較大的時間步長，從而可大大提高計算效率。馬保國等[6,7]研究微礦粉在大體積混凝土中水化熱、抗裂分析以及自催化效應(yīng)。研究表明，通過原材料的選擇、施工工藝的改進(jìn)等措施，能夠降低大體積混凝土溫度峰值。劉沐宇等[8]在大體積混凝土施工過程中進(jìn)行了實時溫度監(jiān)測，實現(xiàn)了大體積混凝土溫度控制的信息化施工，為大體積混凝土保溫保濕養(yǎng)護提供了相關(guān)科學(xué)依據(jù)。張湧等[9]針對橋梁大體積高強度混凝土施工特點，從配合比設(shè)計、材料選擇、降溫及保濕等方面分析了大體積混凝土的溫度特性，指出水泥在硬化過程中釋放大量的水化熱，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強度是導(dǎo)致裂縫的主要原因。同時，結(jié)合實測大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場，分析了造成大體積混凝土開裂的主要因素。王強等[10]針對高強混凝土中總膠凝材料用量較多導(dǎo)致水化熱劇烈，從而產(chǎn)生裂縫的問題，依據(jù)水化熱試驗確定大體積高強度混凝土水化熱的計算參數(shù)，運用ABAQUS有限元軟件對大體積高強度混凝土施工過程中的溫度場進(jìn)行了分析。譚廣柱等[11]通過對大體積混凝土溫度場和應(yīng)力場的現(xiàn)場測試，建立了相關(guān)數(shù)值計算模型，根據(jù)大體積混凝土的現(xiàn)場力學(xué)性能非線性增長的特性，分析了養(yǎng)護過程中大體積混凝土應(yīng)力場的分布、變化過程。孫維剛等[12]以普立特大橋重力式錨碇散索鞍支墩基礎(chǔ)第一層混凝土澆筑為例，對其水化熱溫度進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，利用混凝土溫度有限元理論，結(jié)合散索鞍支墩基礎(chǔ)所處的環(huán)境狀況，建立了考慮冷卻管的三維有限元模型，對混凝土澆筑過程中的溫度場進(jìn)行了模擬計算。趙蒙屏等[13]將混凝土徐變模型和本構(gòu)方程引入ANSYS，在USERMAT.F中通過高斯積分直接生成溫度徐變荷載，實現(xiàn)混凝土溫度徐變應(yīng)力分析，克服了傳統(tǒng)通過調(diào)用溫度徐變荷載文件而計算效率較低的缺陷。夏雄等[14]通過分析大體積混凝土中心溫度的經(jīng)時變化、表面溫度的經(jīng)時變化，總結(jié)出大體積混凝土中心最高溫度、表面溫度隨時間變化的3個階段并對其變化曲線進(jìn)行描述。

既往研究表明，大體積混凝土溫度控制是一個系統(tǒng)工程，需要多方位、多角度綜合考慮。因此，本文依托棋盤洲長江公路大橋重力式南錨碇底板超大倉面施工為背景，采用有限元模型模擬補償收縮混凝土條件下大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力分布情況。依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果提出棋盤洲長江公路大橋重力式南錨碇底板超大倉面不均勻分層施工技術(shù)，為防止錨碇底板溫度裂縫的產(chǎn)生提供有力保證。

1 工程背景

棋盤洲長江公路大橋重力式南錨碇基礎(chǔ)采用內(nèi)徑為61 m、壁厚1.5 m的圓形地下連續(xù)墻加環(huán)形鋼筋混凝土內(nèi)襯結(jié)構(gòu)(見圖1)?；由疃?2 m，底板平面形狀為半徑28.0 m的圓形板狀大體積混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚度6 m(見圖2)，混凝土強度等級為C30，抗?jié)B等級P12，混凝土方量約為15310.6 m3。南錨碇基礎(chǔ)抵抗長江水位最大水頭差為49.8 m，因此進(jìn)行南錨碇底板施工過程中溫度控制，提出有效的施工工藝，嚴(yán)格控制底板裂縫的產(chǎn)生，具有重要的工程意義。

圖1 地下連續(xù)墻施工現(xiàn)場

圖2 底板示意

2 底板混凝土材料及相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)

底板混凝土為有側(cè)限大倉面大體積混凝土，底板受到側(cè)面地下連續(xù)墻和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的約束，其底部受到調(diào)平層混凝土的約束產(chǎn)生基礎(chǔ)約束應(yīng)力。因此，為補償因混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力、提高混凝土的抗裂性能，底板混凝土將采用C30P12補償收縮混凝土。經(jīng)過多輪配合比優(yōu)化設(shè)計及試驗，在保證混凝土絕熱溫升較低、膨脹率較小、強度滿足設(shè)計要求的條件下，最終確定混凝土配合比(見表1)。混凝土材料力學(xué)性能指標(biāo)如圖3，4所示。由圖3，4可知，混凝土強度性能指標(biāo)滿足要求。同時，根據(jù)GJ/T 178-2009《補償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[15]，補償收縮混凝土用于補償因混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力、提高混凝土的抗裂性，要求混凝土在水中14 d的限制膨脹率≥0.015%，一般要求在0.015%～0.04%之間，約相當(dāng)于產(chǎn)生0.2～0.7 MPa的自應(yīng)力。實測該混凝土在水中3，7，14 d的限制膨脹率分別為0.014%，0.0162%，0.0174%，表明該補償收縮混凝土配合比的限制膨脹率符合標(biāo)準(zhǔn)要求?；炷敛牧系钠渌锢砹W(xué)、熱力學(xué)性能相關(guān)參數(shù)的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 底板C30混凝土配合比

圖3 抗壓強度實測值

圖4 劈裂抗拉強度實測值

物理熱學(xué)特性底板C30混凝土內(nèi)襯C30混凝土墊層C25混凝土彈性模量/×104 MPa3.03.02.828 d抗壓強度/MPa41.2——比熱/kJ·(kg·℃) -10.930.931.00導(dǎo)熱系數(shù)/kJ·(mhr·℃) -19.309.3010.00最終絕熱升溫/℃40.00——熱膨脹系數(shù)/×10-6℃-110.0010.0010.00開始收縮混凝土材齡/d3——

3 底板分層施工有限元仿真計算

底板混凝土施工時間段為2018年2月～3月，處于低溫期施工，混凝土外表面保溫及內(nèi)外溫差控制難度大；底板混凝土施工跨越春節(jié)前后，施工間歇期長達(dá)30 d。因此，混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力控制、抗裂安全系數(shù)(劈裂抗拉強度試驗值與對應(yīng)齡期溫度應(yīng)力計算最大值之比)的保證至關(guān)重要。JTS 202-1-2010《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》[16]統(tǒng)計了20余個大體積混凝土溫控工程的開裂情況，認(rèn)為混凝土劈裂抗拉強度與相應(yīng)齡期計算的溫度應(yīng)力值之比不小于1.4時，開裂概率小于5%；劈裂抗拉強度與相應(yīng)齡期計算的溫度應(yīng)力值之比不小于1.3時，開裂概率小于15%，據(jù)此規(guī)定了大體積混凝土的溫度應(yīng)力抗裂安全系數(shù)應(yīng)不小于1.4。因此底板大體積混凝土溫度應(yīng)力抗裂安全系數(shù)取值為不小于1.4?；谝陨媳尘?，本節(jié)將進(jìn)行底板水平不分塊，豎直方向按照：3.0+3.0，2.0+2.0+2.0，2.0+1.5+2.5 m三種方式澆筑方案的優(yōu)化設(shè)計。采用Midas有限元軟件，根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，取底板混凝土1/4進(jìn)行溫度應(yīng)力計算，計算模型如圖5所示?；炷廖锢砹W(xué)、熱力學(xué)性能相關(guān)參數(shù)采用表2中的實測數(shù)據(jù)。計算工況如表3所示。底板大體積混凝土內(nèi)部最高混凝土溫度包絡(luò)圖如圖6所示。底板溫度應(yīng)力及安全系數(shù)計算結(jié)果如圖7所示。

表3 底板混凝土分層施工工況

續(xù)表3

圖6 底板大體積混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖/℃

圖7 底板大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力及抗裂安全系數(shù)

由圖7可知，當(dāng)?shù)装宀捎霉r一(3+3 m)澆筑方案時，即使?jié)仓g隔期控制在7 d左右，第二層早期抗裂安全系數(shù)仍無法滿足≥1.4的控制標(biāo)準(zhǔn)。工況二～工況五采用相同豎向分層方案(2+1.5+2.5 m)，由工況二～工況五的計算結(jié)果可知，工況四底板第三層最小抗裂安全系數(shù)為1.37，抗裂安全系數(shù)偏低；其他工況底板各層最小抗裂安全系數(shù)為1.43，符合抗裂安全系數(shù)≥1.4的規(guī)定。對比工況二、三、四的第二澆筑層混凝土溫度應(yīng)力計算發(fā)現(xiàn)，隨澆筑間隔期由7 d延長至35 d，溫度應(yīng)力有所增加，抗裂安全系數(shù)相應(yīng)降低。當(dāng)?shù)装宀捎?+1.5+2.5 m澆筑方案時，澆筑間隔期控制在21 d以內(nèi)，均可滿足抗裂安全系數(shù)≥1.4的控制標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)澆筑間隔期≥35 d時，第三層早期抗裂安全性不足，需加密該澆筑層冷卻水管至100 cm×75 cm(豎向加密)，以進(jìn)一步控制其溫度發(fā)展，降低其開裂敏感性(見工況五)。在工況六設(shè)定條件下底板各層最小抗裂安全系數(shù)為1.44，與工況四、工況五的第二澆筑層混凝土厚1.5 m相比，工況六的第二澆筑層混凝土厚度增加至2 m后，內(nèi)部溫度和內(nèi)表溫差增大，第二澆筑層溫度應(yīng)力有所增大，抗裂安全系數(shù)下降，但符合最小抗裂安全系數(shù)≥1.4的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)要求。然而工況六需要滿足澆筑間隔期控制在 35 d以內(nèi)的要求。根據(jù)底板大體積混凝土六種工況(邊界條件)的溫度場和應(yīng)力場仿真計算結(jié)果，底板混凝土采用分三層澆筑方案，具體分層高度應(yīng)根據(jù)第二澆筑層與第一澆筑層的間隔期的長短。當(dāng)?shù)诙訚仓g隔期>35 d時，采用工況五(2+1.5+2.5 m)的方案，此時第二層混凝土抗裂系數(shù)更高，開裂風(fēng)險較小，但第三層混凝土的冷卻水管需豎向加密；當(dāng)?shù)诙訚仓g隔期≤35 d時，采用工況六(2+2+2 m)的方案。由于第一層與第二層底板施工之間跨越了春節(jié)，原材料供應(yīng)市場處于不穩(wěn)定狀態(tài)，勞務(wù)工人大多為外地工人等內(nèi)部與外部原因，最終決定采用工況五(2+1.5+2.5 m)的底板分層施工方案。

4 底板分層施工現(xiàn)場內(nèi)部溫度實測結(jié)果分析

底板冷卻水管采用蛇形布置方式，1/4對稱，上下層交錯。厚度為2.0 m的澆筑層布設(shè)2層冷卻水管，豎向布置為50+100+50 cm；厚度為1.5 m的澆筑層布設(shè)1層冷卻水管，豎向布置為75+75 cm；厚度為2.5 m的澆筑層布設(shè)3層冷卻水管，豎向布置為50+75+75+50 cm。水管水平管間距為100 cm，距離混凝土側(cè)面為50～100 cm；單層16套水管(4套×4)；每套水管設(shè)置一個進(jìn)出水口，管長小于200 m。為實施監(jiān)測底板混凝土內(nèi)部溫度分布情況，采用天津華銀儀器有限公司生產(chǎn)的 HNTT-D 型溫度自動檢測系統(tǒng)。該儀器可以進(jìn)行實時溫度采集和定時溫度的采集，把所有采集到的溫度信息保存到Excel 數(shù)據(jù)庫內(nèi)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場跟蹤、分析及處理，并能及時進(jìn)行數(shù)據(jù)的圖表生成和各采集點溫度曲線的分析和比較。溫度傳感器布置如圖8所示。為保護測溫導(dǎo)線和測點不受混凝土振搗的影響，現(xiàn)場焊接∠36以上的等邊角鋼進(jìn)行保護，避免混凝土直接砸落在測溫線上。

圖8 測溫元件埋設(shè)示意

測溫元件的平面布置如圖9所示，底板溫度實施監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。將圖10中主要參數(shù)提取并匯總于表4。根據(jù)JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[17]規(guī)定：大體積混凝土熱期施工時，入模溫度不宜高于28 ℃；冬季施工時，入模溫度應(yīng)不低于5 ℃；大體積混凝土內(nèi)部最高溫度不應(yīng)大于75 ℃；大體積混凝土內(nèi)表溫差應(yīng)控制在25 ℃以內(nèi)。由表4可以看出，通過本文第3節(jié)有限元分析提出的底板超大倉面不均勻分層施工技術(shù)方案完全滿足規(guī)范對大體積混凝土施工安全性的要求。從而驗證了本文所提出的底板大倉面不均勻分層施工技術(shù)的有效性。

圖9 測溫元件平面布置

圖10 底板溫度實施監(jiān)測結(jié)果

澆筑層層厚/m入模溫度/℃底板內(nèi)部最高溫度/℃底板內(nèi)外最高溫差/℃達(dá)到最高溫度時間/h第一層21148.218.296～115第二層1.51539.317.990～120第三層2.52153.416.980～110

5 結(jié) 論

本文以棋盤洲長江公路大橋重力式南錨碇底板超大倉面施工為背景，采用有限元模型模擬采用補償收縮混凝土條件下大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力分布情況。主要結(jié)論如下：

(1)依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果提出棋盤洲長江公路大橋重力式南錨碇底板超大倉面不均勻分層施工技術(shù)，為防止錨碇底板溫度裂縫的產(chǎn)生提供有力的保證；

(2)施工中采用2+1.5+2.5 m的底板分層施工技術(shù)和較低的混凝土入模溫度，有效控制了溫升，延長了混凝土溫度峰值的出現(xiàn)時間；

(3)依據(jù)本文所提出的底板超大倉面不均勻分層施工技術(shù)，有效控制了混凝土內(nèi)外溫差(<20 ℃)，減小了混凝土內(nèi)部溫度裂縫出現(xiàn)的概率。工程結(jié)果表明，底板沒有出現(xiàn)溫度裂縫，保證了工程質(zhì)量，并為后續(xù)工程的施工提供了有力保障。