周 雨

(廣東華路交通科技有限公司,廣州 510420)

1 工程概況

深中通道地處珠江中游核心區(qū)域,位于虎門大橋與港珠澳大橋之間,連接深圳、中山、江門等市,全長(zhǎng)約24 km,由橋、島、隧、水下互通組成[1],其中中山大橋?yàn)橹骺?80 m 的雙塔雙索面斜拉橋,主塔基礎(chǔ)采用分離式承臺(tái)+群樁基礎(chǔ),兩個(gè)分離式承臺(tái)通過主塔塔底連接系梁形成整體,主塔承臺(tái)設(shè)計(jì)為帶倒角的多邊形,單個(gè)承臺(tái)平面尺寸為24 m×24 m,高為6.5 m?；A(chǔ)為14 根直徑3.0 m 的鉆孔樁,呈梅花狀布置,封底厚度為2.5 m。單個(gè)承臺(tái)需C40 混凝土3 380.0 m3,共需鋼筋313.9 t、封底混凝土1 025 m3。

為加強(qiáng)塔柱與基礎(chǔ)間的抗船撞性能,將塔柱與基礎(chǔ)連接形成整體基礎(chǔ)。系梁為單箱單室斷面,每11.2 m 增加一道隔墻,隔墻厚為1 m,橫梁中心設(shè)1.5 m 隔板。系梁跨中位置高9.5 m,梁上下寬度均為10 m,系梁與塔柱交接處梁高13.5 m,梁上寬12.884 m、下寬14 m,系梁頂板及腹板厚1.2 m,底板厚1.5 m。主塔基礎(chǔ)布置示意如圖1 所示。

圖1 主塔基礎(chǔ)布置示意(單位:cm)

塔柱及系梁采用C50 高性能海工混凝土,承臺(tái)采用C40 高性能海工混凝土,圍堰封底采用C25 水下混凝土,混凝土配合比如表1 所示。施工前檢測(cè)中心和施工單位均對(duì)混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè),混凝土實(shí)測(cè)工作性能及力學(xué)性能指標(biāo)如表2 所示。混凝土物理熱學(xué)參數(shù)根據(jù)混凝土配合比進(jìn)行計(jì)算,線膨脹系數(shù)、泊松比根據(jù)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)取值,混凝土物理熱學(xué)參數(shù)如表3 所示。

表1 混凝土配合比 (kg/m3)

表2 混凝土實(shí)測(cè)工作性能及力學(xué)性能指標(biāo)

表3 混凝土物理熱學(xué)參數(shù)

中山大橋主塔承臺(tái)及系梁均為大體積混凝土,澆筑后混凝土內(nèi)部將產(chǎn)生較高的水化熱溫升,形成不均勻非穩(wěn)定溫度場(chǎng),產(chǎn)生不均勻的溫度變形應(yīng)力,易造成混凝土結(jié)構(gòu)開裂[2]。為防止有害溫度裂縫產(chǎn)生,需從混凝土配合比、施工工藝、溫控技術(shù)等方面進(jìn)行控制,確?；炷敛怀霈F(xiàn)有害裂紋[3-4]。該橋承臺(tái)和系梁的主要施工難點(diǎn)為:①海上施工,施工材料運(yùn)輸困難,影響到溫控所需的冷卻水供應(yīng);②風(fēng)大、晝夜溫差大等復(fù)雜海洋環(huán)境問題給混凝土保溫和保濕工作帶來困難;③承臺(tái)和系梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜,單次澆筑方量大,導(dǎo)致混凝土施工組織難度大;④承臺(tái)和系梁混凝土采用高等級(jí)混凝土,混凝土絕熱溫升速度快、溫度高[5-7];⑤系梁為薄壁結(jié)構(gòu),散熱面較大,易產(chǎn)生塑性開裂,且其受力情況復(fù)雜,薄弱部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中最終導(dǎo)致開裂。

2 仿真計(jì)算分析

2.1 有限元模型

中山大橋承臺(tái)分兩次澆筑,第一次澆筑層厚為3.0 m,第二次澆筑層厚為3.5 m。承臺(tái)施工完成后,在兩個(gè)獨(dú)立承臺(tái)之間設(shè)置單壁鋼吊箱進(jìn)行塔底連接系梁施工,系梁分兩次澆筑,第一次澆筑5.0 m,系梁與塔柱之間設(shè)0.8～1.0 m 的后澆段。根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,取承臺(tái)(含塔柱2 m 預(yù)澆段)、系梁混凝土的1/2 進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算,計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 計(jì)算模型

承臺(tái)施工采用雙壁鋼吊箱作為止水結(jié)構(gòu),吊箱內(nèi)施工風(fēng)速取4 m/s,粗糙表面在空氣中的放熱系數(shù)β=82.2 kJ/(m2·h·℃)。吊箱壁板兼作承臺(tái)模板,鋼板厚8 mm。系梁及塔柱預(yù)澆段均采用鋼模板,導(dǎo)熱系數(shù)λ=163.29 kJ/(m·h·℃);覆蓋1 mm 厚防風(fēng)防雨篷布,導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.419 kJ/(m·h·℃)。承臺(tái)底部為2.5 m 厚的C25 混凝土封層,第一層混凝土、第二層混凝土以及系梁之間考慮混凝土齡期差。大體積混凝土邊界條件如表4 所示。

表4 大體積混凝土邊界條件

2.2 溫度計(jì)算結(jié)果

在相應(yīng)工況條件下,承臺(tái)及系梁大體積混凝土溫度計(jì)算結(jié)果如表5 所示,均符合溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

表5 承臺(tái)及系梁大體積混凝土溫度計(jì)算結(jié)果

承臺(tái)第一層混凝土內(nèi)部溫度峰值較理想,第二層混凝土內(nèi)部溫度峰值比第一層高出較多,主要是第二層澆筑厚度比第一層大,且與塔柱底部2 m 預(yù)澆段一起施工,造成內(nèi)部溫度偏高,因此需加強(qiáng)第二層的冷卻水通水管控。系梁因未設(shè)置冷卻水管,內(nèi)部溫度峰值和內(nèi)表溫差均較高,需做好混凝土入模溫度控制和養(yǎng)生保溫措施。

2.3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

混凝土特定齡期溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表6 所示,承臺(tái)及系梁混凝土各齡期溫度應(yīng)力計(jì)算值均低于容許應(yīng)力值,抗裂安全性符合規(guī)范要求。

表6 混凝土特定齡期溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 (MPa)

承臺(tái)第一層3 d、28 d 混凝土應(yīng)力場(chǎng)分布如圖3 所示,承臺(tái)第二層3 d、28 d 混凝土應(yīng)力場(chǎng)分布如圖4 所示。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)件表面,主要為內(nèi)表溫差引起的拉應(yīng)力;后期混凝土結(jié)構(gòu)收縮,應(yīng)力由外部向內(nèi)部發(fā)展,內(nèi)外應(yīng)力最終整體穩(wěn)定。承臺(tái)第一層28 d 混凝土應(yīng)力場(chǎng)分布的上表面出現(xiàn)負(fù)應(yīng)力,且系梁與承臺(tái)接觸外側(cè)存在應(yīng)力集中,表明下一層混凝土對(duì)上一層混凝土收縮存在約束作用,所以上下層混凝土施工時(shí)須嚴(yán)格控制齡期差。針對(duì)應(yīng)力集中問題,接近應(yīng)力極限位置應(yīng)針對(duì)性采用防裂鋼筋網(wǎng)、纖維混凝土等方式減少開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 承臺(tái)第二層3 d、28 d 混凝土應(yīng)力場(chǎng)分布(單位:N/mm2)

系梁3 d 混凝土溫度應(yīng)力場(chǎng)分布如圖5 所示,系梁第一層早期于承臺(tái)邊緣部位產(chǎn)生應(yīng)力集中,應(yīng)力水平較高;系梁第二層早期應(yīng)力集中于構(gòu)件側(cè)面及上表面,為內(nèi)表溫差引起的拉應(yīng)力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,須加強(qiáng)系梁該部位的保溫和保濕養(yǎng)護(hù),以降低混凝土內(nèi)表溫差,防止此處混凝土約束應(yīng)力累積導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

圖5 系梁3 d 混凝土溫度應(yīng)力場(chǎng)分布(單位:N/mm2)

3 大體積混凝土施工控制措施

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果及海上施工特點(diǎn),承臺(tái)結(jié)構(gòu)外部保溫工作不易實(shí)施,外加海上風(fēng)大、晝夜溫度變化大,需要從降低混凝土自身水化熱的角度解決核心溫度過高產(chǎn)生的溫度應(yīng)力問題,同時(shí)解決海上難以供應(yīng)大量冷卻淡水的問題。

3.1 大體積海工混凝土配合比

通過市場(chǎng)調(diào)研,選取不同廠家水泥進(jìn)行水化熱試驗(yàn),優(yōu)選產(chǎn)生水化熱最低的產(chǎn)品材料。并采用礦渣粉和粉煤灰雙摻技術(shù),最大限度使用礦渣粉和粉煤灰代替水泥,通過混凝土56 d 配合比試驗(yàn)[8],可在保證混凝土強(qiáng)度的情況下盡可能減少水泥使用。同時(shí)使用超緩凝型聚羧酸類高性能減水劑,以改善混凝土施工的和易性、強(qiáng)度和耐久性。此外,須加強(qiáng)原材料進(jìn)場(chǎng)管理,確保材料的質(zhì)量和溫度滿足要求,尤其須對(duì)粉料的活性指數(shù)加強(qiáng)檢測(cè)。

工程中應(yīng)高溫促進(jìn)混凝土水化反應(yīng),嚴(yán)控混凝土入模溫度。在最優(yōu)成本情況下,通過遮陽、通風(fēng)等措施降低骨料和粉料的溫度,不得使用新出廠的水泥,水泥須充分放置冷卻或采取措施使其溫度≤60 ℃再使用[9]。并采用加冷水、冰屑拌和等措施降低混凝土出機(jī)溫度,同時(shí)對(duì)運(yùn)輸罐車采用篷布包裹等方式,將混凝土入模溫度控制在28 ℃以下。

3.2 節(jié)水冷卻系統(tǒng)

因承臺(tái)大體積混凝土前期釋放熱量較大,需要提供大量冷卻淡水,但海上淡水供應(yīng)困難,無法滿足要求,本項(xiàng)目采用大型鋼護(hù)筒現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建高效冷卻系統(tǒng),即采用兩個(gè)直徑為3.3 m 的鋼護(hù)筒作為制造冷卻系統(tǒng)的進(jìn)水箱和出水箱,兩個(gè)水箱之間通過水管連接。進(jìn)水箱為冷卻箱,可根據(jù)水溫添加冰塊制冷,高效冷卻回流熱水,減少海上冷卻淡水的需求。水箱中增設(shè)自循環(huán)系統(tǒng),使水箱的水溫上下均勻一致,避免冷卻水忽冷忽熱。出水箱為儲(chǔ)水箱,安裝分水器且每個(gè)分水器具有獨(dú)立水閥,可根據(jù)溫控元件收集數(shù)據(jù),控制每個(gè)閥門的出水速度和流量,冷卻水罐和分水器如圖6 所示。

圖6 冷卻水罐和分水器

優(yōu)化中山大橋主塔承臺(tái)冷卻水管布設(shè),冷卻水進(jìn)水口布設(shè)在混凝土核心溫度最高區(qū)域,使冷卻水優(yōu)先冷卻核心最高溫度區(qū)域,每套水管設(shè)置一個(gè)進(jìn)出水口,管長(zhǎng)＜150 m。冷卻水管選用導(dǎo)熱良好的鋼管,采用螺紋絲扣+焊接的連接方式,避免澆筑混凝土漏漿影響通水,冷卻水管布設(shè)如圖7 所示。

圖7 冷卻水管布設(shè)

循環(huán)冷卻系統(tǒng)開始通水及升溫期間要求水流量≥60 L/min,水流速≥0.6 m/s;冷卻水與混凝土核心溫度溫差≤25 ℃,以防出現(xiàn)冷擊情況,出水與進(jìn)水溫差≤10 ℃;降溫期間通過調(diào)整出水速度控制降溫速率≤2.0 ℃/d;停水標(biāo)準(zhǔn)為混凝土降溫速率≤2.0 ℃/d、混凝土內(nèi)部最高溫度與表面溫度之差≤15 ℃。

3.3 應(yīng)力集中位置精確防裂

根據(jù)仿真驗(yàn)算結(jié)果,中山大橋承臺(tái)第一層混凝土下表面和第二層上表面應(yīng)力較大,須增加防裂鋼筋網(wǎng)。系梁與承臺(tái)間澆筑間隔期較長(zhǎng),在系梁和承臺(tái)交界位置添加聚丙烯纖維,參考各類試驗(yàn)數(shù)據(jù),摻加聚丙烯纖維的混凝土抗拉強(qiáng)度可提高約15%[10-11]?；炷涟韬驼卷毰渲镁郾┯?jì)量摻加設(shè)備,確保聚丙烯摻加數(shù)量和均勻度滿足要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及結(jié)果分析

根據(jù)承臺(tái)對(duì)稱性的特點(diǎn),選取承臺(tái)的1/4 塊布置溫控測(cè)點(diǎn),承臺(tái)每個(gè)澆筑層布設(shè)3 層監(jiān)控點(diǎn),中間部位布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),靠近上下表面布置校核點(diǎn),設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)與水管間距≥25 cm,溫度信息采用智能設(shè)備自動(dòng)收集和預(yù)警,鋼圍堰和大氣的溫度可同步測(cè)量、收集。承臺(tái)第一層混凝土溫度曲線如圖8 所示,承臺(tái)第二層混凝土溫度曲線如圖9 所示。

圖8 承臺(tái)第一層混凝土溫度曲線

圖9 承臺(tái)第二層混凝土溫度曲線

承臺(tái)第一層澆筑混凝土內(nèi)部最高溫度峰值為71.7 ℃,最大內(nèi)外溫差約為24.2 ℃,每天溫降約2.2 ℃,除每天溫降值略超過要求,其他指標(biāo)均滿足要求。與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比,現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部最高溫度高出計(jì)算結(jié)果較多,主要原因是海上施工時(shí)冷淡水供應(yīng)較困難,導(dǎo)致冷卻水管降溫能力未充分發(fā)揮。考慮到第二層混凝土仿真計(jì)算中的內(nèi)部溫度更高,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)冷卻系統(tǒng)的兩個(gè)水箱特點(diǎn),進(jìn)行冷卻系統(tǒng)改進(jìn),采用加冰塊降水溫的方式,改進(jìn)后的冷卻系統(tǒng)通冷指標(biāo)滿足要求。第二層混凝土現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)內(nèi)部核心溫度峰值為67.4 ℃,最大內(nèi)外溫差為23.5 ℃,除峰值后的一天內(nèi)溫度降速為3.1 ℃/d,其他溫度降速均保持在2 ℃/d 以內(nèi),滿足大體積混凝土指標(biāo)要求,整體冷卻效果比第一層好,該冷卻系統(tǒng)可在后續(xù)海上大體積混凝土結(jié)構(gòu)中大面積使用。

5 結(jié)語

以深中通道中山大橋主塔承臺(tái)和系梁為研究對(duì)象,根據(jù)大體積混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn),通過有限元軟件進(jìn)行溫度和應(yīng)力模擬分析。并以計(jì)算結(jié)果為指導(dǎo),結(jié)合海上施工特點(diǎn),優(yōu)化海工混凝土配合比,從源頭控制大體積混凝土水化熱,研究節(jié)水高效冷卻系統(tǒng),解決海上淡水供應(yīng)困難的問題。對(duì)復(fù)雜系梁和承臺(tái)交界處存在應(yīng)力集中的位置,精準(zhǔn)使用聚丙烯纖維混凝土加強(qiáng)處理,提升其抗裂性能。施工期間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)冷卻系統(tǒng)充分使用后混凝土內(nèi)部最高溫度為67.4 ℃,與仿真模型計(jì)算結(jié)果接近?；炷羶?nèi)外溫差及每天溫度降速均滿足規(guī)范要求,現(xiàn)場(chǎng)只在承臺(tái)上表面發(fā)現(xiàn)個(gè)別淺層小裂紋,未發(fā)現(xiàn)有害裂縫,控裂效果較好。