任士樸、姜勇、商淑杰、于新波

（1.山東華鑒工程檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南250100；2.山東省橋梁結(jié)構(gòu)智能養(yǎng)護(hù)檢測(cè)與安全性評(píng)估研發(fā)中心，山東 濟(jì)南250100；3.山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南250100）

0 引言

現(xiàn)階段我國(guó)的經(jīng)濟(jì)逐年增長(zhǎng)，交通量日益增加，為了更好地滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活需要，越來(lái)越多的大型橋梁開(kāi)始投入使用，在這個(gè)過(guò)程中，必然會(huì)出現(xiàn)很多大體積混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)支撐大型橋梁的正常運(yùn)營(yíng)，但在大體積混凝土施工后，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了很多的裂縫，此種裂縫的產(chǎn)生會(huì)引起鋼筋銹蝕、混凝土碳化，降低混凝土的抗凍融、抗疲勞以及抗?jié)B性等，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的耐久性。本文通過(guò)利用有限元軟件對(duì)混凝土出現(xiàn)裂縫的原因進(jìn)行分析，對(duì)防止裂縫出現(xiàn)的措施做出相應(yīng)的解釋?zhuān)?duì)今后的施工過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題做出較詳細(xì)的解釋說(shuō)明。

1 工程介紹

此次項(xiàng)目是一座跨越黃河的大橋，主跨超過(guò)1000m，研究的重點(diǎn)為該橋梁的承臺(tái)結(jié)構(gòu)。該黃河大橋兩側(cè)承臺(tái)在混凝土澆筑時(shí)模板采用定型鋼模板，使用方木和鋼管進(jìn)行加固支撐，承臺(tái)分兩次澆筑，第一次澆筑1.5m高，分層進(jìn)行澆筑混凝土，每層厚度控制在30cm。承臺(tái)的基本尺寸為15m×8m×4m。

2 承臺(tái)的基本水化熱參數(shù)

由于該承臺(tái)在施工之前并未做相應(yīng)的熱學(xué)試驗(yàn)，所以，只能根據(jù)混凝土的配合比對(duì)基本熱學(xué)參數(shù)做出經(jīng)驗(yàn)性估計(jì)，該承臺(tái)單位體積混凝土基本組成成分為425#普通硅酸鹽水泥282kg，粉煤灰95kg，砂子747kg，石子1120kg，添加劑3.8kg，水154kg，根據(jù)以上參數(shù)，《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》（第二版）（朱伯芳2012））對(duì)相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算，可以得到混凝土的基本熱學(xué)性能參數(shù)，（見(jiàn)表1）。

表1 混凝土的基本熱學(xué)性能參數(shù)

并且根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB50496—2018）中規(guī)定，在施工過(guò)程中，必須控制混凝土的溫升、里表溫差，降溫速率以及表面溫差等參數(shù)不超過(guò)表2規(guī)定的范圍。

表2 降溫速率以及表面溫差參數(shù)

因此，為了防止大體積混凝土結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外部溫差產(chǎn)生裂縫，對(duì)混凝土澆筑過(guò)程中及澆筑完成后進(jìn)行合理的溫度場(chǎng)模擬是十分必要的。

3 水化熱監(jiān)控的施工過(guò)程及模型分析

3.1 承臺(tái)水化熱監(jiān)控的基本過(guò)程

3.1.1 在混凝土澆筑之前，根據(jù)提供的原材料的基本參數(shù)情況，結(jié)合有限元計(jì)算軟件，建立承臺(tái)（大體積混凝土）的計(jì)算模型，得到該承臺(tái)結(jié)構(gòu)在使用該類(lèi)材料配比時(shí)，內(nèi)外部的溫度變化情況，以及應(yīng)力場(chǎng)隨著時(shí)間的變化情況。

3.1.2 根據(jù)初步模擬計(jì)算分析的成果，對(duì)原材料的選取進(jìn)行初步的擬定，根據(jù)實(shí)際情況編寫(xiě)溫度控制方案及原材進(jìn)場(chǎng)方案。

3.1.3 當(dāng)材料選定之后，根據(jù)實(shí)際的材料配比，并進(jìn)行相應(yīng)的熱學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，能夠更好為計(jì)算模型提供準(zhǔn)確的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)最終的試驗(yàn)成果，對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而得到更符合實(shí)際情況的模擬結(jié)果。

3.1.4 根據(jù)調(diào)整后的有限元分析結(jié)果，再次了解各工況下的內(nèi)外溫差和應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，是否進(jìn)行分層澆筑，是否需要增設(shè)水冷管，再進(jìn)行相應(yīng)的模擬計(jì)算，并對(duì)施工方案進(jìn)行再次的修改確認(rèn)。

3.1.5 正式的施工開(kāi)始后，由于施工過(guò)程中會(huì)遇到各種不確定的因素，各種原有的假設(shè)及施工流程都會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)需要技術(shù)人員隨時(shí)根據(jù)實(shí)際的施工工序及狀況及時(shí)更新有限元分析模型，得到最接近實(shí)際情況的溫度場(chǎng)模型，以便后期的施工開(kāi)展[1]。

3.1.6 對(duì)承臺(tái)結(jié)構(gòu)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工完畢后，要進(jìn)行運(yùn)行分析，分析后期的溫度變化是否與模型模擬的情況類(lèi)似，以便為后期再次施工做出合理的修正。

此次有限元軟件主要對(duì)在配合比完成之前以及在施工過(guò)程中如何施工分別進(jìn)行模擬分析，從選擇不同種類(lèi)的水泥，不同的澆筑方法分別進(jìn)行解釋。

3.2 水泥種類(lèi)的選擇

進(jìn)行大體積混凝土澆筑之前，會(huì)面臨一個(gè)水泥的選擇問(wèn)題，如何選擇水泥，從而不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的內(nèi)外溫差，進(jìn)而產(chǎn)生溫度裂縫；又要從造價(jià)方面考慮，不得超出基本造價(jià)。一般從三種水泥類(lèi)別進(jìn)行分析，分別是早強(qiáng)硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥以及低熱硅酸鹽水泥[2]。

首先，選擇高早強(qiáng)硅酸鹽水泥的情況下，計(jì)算結(jié)果為溫度升高29℃（見(jiàn)圖1，設(shè)置的入模溫度為20℃）

圖1 高早強(qiáng)硅酸鹽水泥

采用普通硅酸鹽水泥計(jì)算結(jié)果為溫度升高27℃，如圖2所示。

圖2 普通硅酸鹽水泥

采用低熱硅酸鹽水泥溫度升高16℃，如圖3所示。

圖3 低熱硅酸鹽水泥

根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB50496—2018）要求，混凝土澆筑塊體的里表溫差（不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度）不宜大于25℃，因此，在進(jìn)行大體積混凝土澆筑時(shí)，低熱硅酸鹽水泥的發(fā)熱量是最小的，為了防止裂縫的發(fā)生，應(yīng)選用低熱硅酸鹽水泥[3]。

3.3 施工方式的選擇

由于低熱硅酸鹽水泥的價(jià)格相對(duì)較高，若在選用普通硅酸鹽水泥的前提下，保證混凝土內(nèi)外溫差不超過(guò)25℃，可以選擇分層澆筑的方式進(jìn)行施工。

圖4的施工方式是先澆筑第一層1.5m，然后澆筑第二層2.5m，用這種方式進(jìn)行施工時(shí)溫升為26℃，比一次性澆筑的內(nèi)外溫差稍低，但仍不符合規(guī)范要求，在此基礎(chǔ)上，可以運(yùn)用增添水冷管的方式進(jìn)行改善[4]。

圖4 分層分階段澆筑

對(duì)第一層澆筑及第二層澆筑的中間部位分別布設(shè)一層水冷管之后發(fā)現(xiàn)最高溫差變?yōu)?1℃。（見(jiàn)圖5）

圖5 布設(shè)水冷管

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)大體積承臺(tái)在采用不同材料施工時(shí)，通過(guò)分析承臺(tái)內(nèi)外溫差，得出選用低熱的硅酸鹽水泥會(huì)很好地控制大體積承臺(tái)的內(nèi)外溫差，如果在施工工期較為緊張的情況下，可采用造價(jià)更高的該類(lèi)水泥完成大體積混凝土的澆筑工作。如果要在控制造價(jià)的前提下，采用分層澆筑的方法可以有效地降低承臺(tái)內(nèi)外溫差，但在施工前必須要進(jìn)行詳細(xì)的溫度分析，如果仍達(dá)不到規(guī)范要求，可采用鋪設(shè)水冷管的方式進(jìn)行降溫，能夠起到非常好的溫度控制作用。