何 立，趙圓圓，伏冠西，冉師齊

(四川路橋華東建設(shè)有限責(zé)任公司，成都 610000)

隨著橋梁技術(shù)的不斷突破，我國正由橋梁大國逐步邁進橋梁強國行列，世界上的“最長、最高、最大”紀錄不斷被中國橋梁工程師所改寫.在這些橋梁工程中，大體積混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)揮著重要的作用.大體積混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑過程中水泥水化放熱，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度逐漸升高，而結(jié)構(gòu)表面溫度相對較低，這種過大內(nèi)表溫差將導(dǎo)致表面裂縫產(chǎn)生，進而影響結(jié)構(gòu)的耐久性及安全性[1-3].為此，國內(nèi)外學(xué)者對大體積混凝土溫控進行了相關(guān)的研究.文獻[4-6]主要研究了混凝土配合比、澆筑溫度及冷卻水對大體積混凝土溫控的影響；文獻[7-9]從理論上推導(dǎo)了熱傳導(dǎo)等效方程，構(gòu)建了數(shù)學(xué)計算模型并開發(fā)了大體積混凝土溫度場仿真計算程序；文獻[10]主要研究了海洋環(huán)境對大體積混凝土水化熱的影響規(guī)律；文獻[11]對側(cè)面被巖土包圍的隧道錨塞體的溫度場特點進行了研究.然而，目前針對山區(qū)峽谷復(fù)雜風(fēng)場環(huán)境下大體積混凝土的溫控研究鮮有報道.鑒于此，本文以山區(qū)懸索橋索塔承臺施工為背景，采用有限元仿真計算并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對山區(qū)復(fù)雜風(fēng)場下大體積混凝土的溫度效應(yīng)進行了研究，以期為同類工程施工提供參考.

1 工程概況

川滇金沙江特大橋主橋為1 060 m 雙塔單跨鋼桁梁懸索橋.該橋位于山區(qū)“V”型峽谷地帶，大風(fēng)出現(xiàn)頻率高，風(fēng)場紊亂.截至目前，現(xiàn)場實測最高風(fēng)速達到了33 m/s，極具破壞力.

索塔基礎(chǔ)采用樁基承臺形式，單個承臺平面尺寸為25.5 m×25.5 m，高7 m.為改善承臺頂面塔柱底局部受力以及加強景觀效果，在塔柱與承臺間設(shè)置棱臺形塔座，塔座高2 m，且承臺間設(shè)置承臺系梁.索塔承臺平面布置見圖1.承臺和系梁混凝土均為C40，在距承臺的頂面50 cm 范圍內(nèi)的混凝土拌合物中摻入0.9 kg/m3的聚丙烯單絲纖維；塔座混凝土為C50，在混凝土拌合物中摻入0.9 kg/m3的聚丙烯單絲纖維及2.7 kg/m3聚丙烯粗纖維(仿鋼纖維).

圖1 索塔承臺平面布置/cm

2 承臺溫控措施

2.1 混凝土性能指標

索塔承臺混凝土經(jīng)工地實驗室驗證后，混凝土的各項參數(shù)均滿足設(shè)計要求，其配合比如表1所示.結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境，混凝土入模溫度取20 ℃，由表1 配合比對混凝土物理熱學(xué)參數(shù)進行取值計算，結(jié)果見表2.

表1 塔座和承臺混凝土配合比 kg/m3

表2 大體積混凝土物理熱學(xué)參數(shù)

2.2 澆筑總體思路

兩岸承臺結(jié)構(gòu)尺寸基本一致，單個承臺混凝土總方量為4 551.75 m3，具有體積大、混凝土標號高、水化熱效應(yīng)顯著等特點.為了對混凝土內(nèi)部溫度進行有效控制，承臺施工采用分層澆筑的方式，見圖2.

圖2 承臺混凝土分層澆筑順序

總體澆筑思路：首先，進行承臺施工，承臺分2 層澆筑成型(3.5 m+3.5 m)，單次最大澆筑方量約為2 275.88 m3；其次，待承臺施工完成后隨即進行塔座施工，塔座一次澆筑完成，澆筑方量為518 m3；最后，待承臺穩(wěn)定后再施工系梁，兩岸系梁均分2 次澆筑，四川岸一次澆筑最大方量為550.9 m3，云南岸一次澆筑最大方量為345 m3.

2.3 溫控標準

大體積混凝土溫控目的在于降低混凝土內(nèi)表溫差，避免溫度裂縫的產(chǎn)生.通常大體積混凝土抗裂安全性可按以下2 點進行評價：特征溫度控制值和抗裂保證率.特征溫度主要包含澆筑溫度、內(nèi)部最高溫度及內(nèi)表溫差等.根據(jù)相關(guān)規(guī)范[12-13]，并結(jié)合本工程特點，采用以下溫控標準：

1)混凝土澆筑溫度取值范圍為5～30 ℃；

2)混凝土內(nèi)部最高溫度限值為75 ℃；

3)混凝土內(nèi)表溫差上限值為25 ℃.

抗裂保證率是將混凝土溫度應(yīng)力仿真計算值與容許應(yīng)力參考值進行比較分析，以溫度應(yīng)力仿真計算值≤容許應(yīng)力參考值為評價標準，并綜合考慮應(yīng)力值富余量對構(gòu)件安全性的影響.

2.4 溫控措施

橋址區(qū)風(fēng)場紊亂，且風(fēng)速大，加之為冬季施工，氣溫較低，使得混凝土內(nèi)表溫差控制難度極大.實際施工時，混凝土內(nèi)部溫度主要通過預(yù)埋冷卻水管、分層澆筑及控制入水初始溫度進行綜合控制；混凝土外表主要采取在側(cè)模上覆蓋保溫層與防雨布，頂部蓄水養(yǎng)生，同時輸送蒸汽進行保溫養(yǎng)護.

承臺分2 次澆筑成型，每澆筑層縱橫交錯布設(shè)3 層冷卻水管，每層4 套水管(承臺冷卻水管平面布置見圖3)，水管長度≤200 m；水管水平間距為 100 cm，垂直間距為 100 cm(0.75 m+1.0 m×2+0.75 m).塔座一次澆筑成型，縱橫交錯布設(shè)2 層冷卻水管，每層2 套水管，水管長度≤200 m，水管水平間距為100 cm，垂直間距為80 cm(0.6 m+0.8 m+0.6 m).冷卻水管內(nèi)徑為40 mm，水流量為3.0 m3/h，入水初始溫度為20 ℃，通水時間為7 d.現(xiàn)場冷卻水管布置見圖4.

圖3 承臺冷卻水管平面布置/cm

圖4 現(xiàn)場冷卻水管實景

3 數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，取承臺、塔座1/4 結(jié)構(gòu)進行仿真模擬.采用MIDAS/FEA 數(shù)值軟件建立承臺實體模型，選取六面體網(wǎng)格單元.承臺的底面是巖土，將其設(shè)為固定溫度，為第1 類邊界條件；承臺、塔座對稱邊界絕熱為第2 類邊界條件；承臺每層施工時，頂面、拆模后側(cè)面與空氣進行熱傳遞，為第3 類邊界條件；未拆模側(cè)面部分經(jīng)由鋼模向空氣散熱，為第4 類邊界條件.限于篇幅，本文僅對四川岸承臺數(shù)據(jù)進行分析，云南岸溫控結(jié)果與之一致.承臺分層施工，混凝土澆筑間歇期按7 d 考慮.有限元模型如圖5 所示.

圖5 承臺1/4 結(jié)構(gòu)有限元分析模型

3.2 溫度結(jié)果分析

通過數(shù)值分析，承臺混凝土內(nèi)部溫度計算結(jié)果見表3.由表3 可知，承臺內(nèi)部最高溫度為54.06 ℃，于第 3 d 出現(xiàn)，內(nèi)表最大溫差為21.24 ℃；塔座內(nèi)部最高溫度為60.70 ℃，于第2天出現(xiàn)，內(nèi)表最大溫差為22.72 ℃.由圖6 可知，各層混凝土內(nèi)部溫度最高，表面溫度較低，溫度控制應(yīng)以“外保內(nèi)散”為原則，即內(nèi)部加強通水降溫，外部加強養(yǎng)護保溫.

表3 承臺混凝土溫度計算結(jié)果

圖6 承臺混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖/℃

3.3 應(yīng)力結(jié)果分析

由圖7～圖9 可知，各澆筑層混凝土早期膨脹，前3 d 應(yīng)力發(fā)展較快，集中于構(gòu)件上表面，為內(nèi)表溫差引起的拉應(yīng)力；后期混凝土收縮，即3 d后有部分應(yīng)力向構(gòu)件內(nèi)部轉(zhuǎn)移并逐漸發(fā)展至穩(wěn)定水平.此外，承臺和塔座早期上表面與側(cè)面因內(nèi)表溫差較大均存在一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且二者交界面后期因固結(jié)約束作用亦存在此現(xiàn)象.因此，需要通冷卻水降低混凝土內(nèi)部溫度，同時加強應(yīng)力集中部位的保溫養(yǎng)護，從而降低內(nèi)表溫差，防止約束累積致裂.

圖7 承臺第1 層混凝土溫度應(yīng)力場/MPa

圖8 承臺第2 層混凝土溫度應(yīng)力場/MPa

圖9 塔座混凝土溫度應(yīng)力場/MPa

從表4 可看出，混凝土澆筑完成3 d 內(nèi)，溫度應(yīng)力基本可達到峰值；承臺各層混凝土抗裂安全系數(shù)隨齡期增長而增大，第1 層混凝土抗裂安全系數(shù)最小值為1.4，第2 層混凝土抗裂安全系數(shù)最小值為1.3，塔座混凝土抗裂安全系數(shù)最小值為1.9.這表明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，無裂縫產(chǎn)生.

表4 混凝土溫度應(yīng)力場計算結(jié)果

綜上，承臺溫控效應(yīng)理論計算值均符合規(guī)范要求，承臺內(nèi)部冷卻水管布設(shè)合理、可行.

4 監(jiān)測結(jié)果分析

對大體積混凝土進行仿真計算，只是從理論上對其內(nèi)部溫度及溫度應(yīng)力的變化規(guī)律進行分析，而實際施工條件并非理想狀態(tài)，結(jié)果也必將與理論存有差異.因此，為及時掌握承臺大體積混凝土內(nèi)部溫度變化趨勢及規(guī)律，防止溫致表面裂縫的產(chǎn)生，進行實時溫度監(jiān)測是有必要的.

4.1 測點布置

考慮到結(jié)構(gòu)對稱性及施工經(jīng)濟性，可在承臺1/4 區(qū)域位置布設(shè)測溫元件.承臺分2 次澆筑成型，每澆筑層布設(shè)2層測點，每層11個測溫元件；塔座一次澆筑成型，居中布置1 層測點，9 個測溫元件.溫測元件布置見圖10～圖11.

圖10 溫控測點布置立面/cm

圖11 承臺第1 層溫控測點布置/cm

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

從圖12 可以看出，承臺澆筑層混凝土在3 d內(nèi)達到了溫度峰值，第1 層最高溫度為47.6 ℃，第2 層最高溫度為48.3 ℃，這與理論計算值基本吻合.承臺實測溫度時程曲線總體呈先升后降的趨勢，且內(nèi)表溫差均控制在20 ℃以內(nèi)(見圖13)，符合規(guī)范要求.

圖12 承臺實測溫度時程曲線

圖13 承臺內(nèi)表實測最大溫差時程曲線

四川岸索塔承臺澆筑時間為2021-12-07，拆模時間為2021-12-20；云南岸索塔承臺澆筑時間為2021-12-09，拆模時間為2021-12-22.拆模后承臺混凝土表面平整光滑，無裂縫產(chǎn)生，溫控效果顯著.承臺現(xiàn)場實景如圖14 所示.

圖14 承臺現(xiàn)場實景

5 結(jié)論

1)承臺混凝土澆筑完成后內(nèi)部峰值溫度在2～3 d 內(nèi)達到，出現(xiàn)內(nèi)部溫度高、表面溫度低的現(xiàn)象，可見溫度控制應(yīng)以“外保內(nèi)散”為原則.

2)溫度拉應(yīng)力前期主要集中于構(gòu)件表面，后期拉應(yīng)力向構(gòu)件內(nèi)部轉(zhuǎn)移并逐漸發(fā)展至穩(wěn)定水平；此外，構(gòu)件表面存在一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象.

3)山區(qū)大體積混凝土內(nèi)部溫度可通過預(yù)埋冷卻水管、分層澆筑及控制入水初始溫度進行綜合控制；混凝土外表建議采取在側(cè)模上覆蓋保溫層與防雨布，頂部蓄水養(yǎng)生，同時輸送蒸汽進行保溫養(yǎng)護.