2023年長江大橋承臺大體積混凝土溫度控制與分析

PAGEPAGE10長江大橋承臺大體積混凝土溫度控制與分析隨著大跨度橋梁工程的不斷涌現(xiàn)，大體積混凝土在橋梁工程中的應用越來越多，如大跨度橋梁的根底承臺、懸索橋的重力式錨碇等。同時，橋梁大體積混凝土的裂縫問題也越來越受到工程界的關注，在設計和施工過程中必須采取一系列有效措施，將裂縫的生成和擴展控制到最小程度。為了防控大體積混凝土裂縫的出現(xiàn)，施工前應首先優(yōu)化混凝土配合比，降低水泥水化熱，并進行仿真模擬計算分析，驗證施工方案的合理性；施工過程中應做好混凝土的溫度控制與監(jiān)測，以便及時采取預防技術措施，防止溫升過高、溫差過大等不利情況的出現(xiàn)。該文以某長江大橋主墩承臺大體積混凝土工程為背景，通過在施工前和施工中采取一系列溫控措施，有效地防控了大體積混凝土溫度裂縫的出現(xiàn)。1工程概況某長江大橋主橋為雙塔三索面預應力混凝土斜拉橋，主橋全長4657m，橋跨布置為98+196+504+196+98m；其主塔墩下部結構根底為40根直徑為3.40m的大直徑鉆孔灌注樁，樁頂設置承臺，其平面尺寸為的切角矩形，厚度為5.0m，單個主墩承臺合計澆筑混凝土3300，屬于大體積混凝土結構，施工工程中，如果在配合比設計、溫度控制、澆筑方法、混凝土養(yǎng)護等方面處理不當，會造成溫差應力、收縮等原因形成的裂縫，影響橋梁的使用功能和運營平安。圖1承臺構造示意圖〔單位：mm〕2有限元模擬2.1根本計算參數(shù)1〕施工資料承臺混凝土設計強度等級為C30，施工時承臺分兩層澆筑，二次澆筑高度同為2.5m，兩層混凝土澆筑間隙期為7d，承臺混凝土冷卻水管采用壁厚2.5mm、直徑φ32mm的圓鋼管。冷卻水管平面布置如圖2所示。注：1―冷卻管出水口；2―冷卻管進水口；圖2冷卻水管布置平面圖〔單位：cm〕2〕混凝土參數(shù)承臺混凝土配合比見表1，C30混凝土物理熱學參數(shù)見表2表1承臺C30混凝土配合比水泥粉煤灰砂石水外加劑2837175011261702.83表2C30混凝土物理熱學參數(shù)最終彈性模量/Mpa導熱系數(shù)密度熱脹系數(shù)比熱絕熱溫升/9.724001.0352.2模型的建立采用通用有限元程序ANSYS對主墩承臺大體積混凝土水化熱溫度場進行數(shù)值分析?？紤]結構的對稱性，取1/4實體建模，混凝土采用solid70單元模擬，水冷管采用fluid116單元模擬，水冷管與混凝土之間的熱對流采用Surf152單元模擬。網(wǎng)格劃分如圖2所示，水管單元周圍單元進行加密，有限元模型的邊界條件按如下考慮：1/4模型對稱面取為絕熱邊界；承臺混凝土的初始溫度取為澆筑時的入模溫度10℃，冷卻水入口溫度為12℃；流量取1.5m3/h，水管通水時間設為18天，承臺底部按第一類邊界條件處理，取為施工期平均氣溫15℃；承臺混凝土與空氣的接觸面那么采用第三類邊界條件。圖3承臺網(wǎng)格劃分2.3計算結果分析圖4混凝土最大溫升隨齡期變化曲線圖5無冷管承臺結構溫度場分布〔3d〕圖6有冷管承臺結構溫度場分布〔3d〕混凝土內(nèi)部最大溫升隨齡期變化如圖4所示，齡期為3天時無冷管和有冷管承臺結構溫度場分布如圖5和圖6所示。結果說明，無冷卻水管降溫的承臺澆注后的最高溫度到達44.77℃，外表與內(nèi)部的最大溫差已接近30℃。冷卻水管通水流量為1.5m3/h時，承臺澆注后的最高溫度到達36.8℃，外表與內(nèi)部的最大溫差為21.8℃，有冷卻水管模型相比于無冷卻水管模型，前者最高溫度比后者低8℃，說明冷卻水管降溫效果顯著，因此，設計時應根據(jù)混凝土內(nèi)外溫差是否小于25℃來確定冷卻水管的通水流量和進出水口溫差。從圖4可以看出，承臺內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)雙峰值現(xiàn)象，主要是由于分層澆筑時間間隔引起的，兩層之間會有熱交換，下層澆注完成后七天澆注上層，下層的溫度會因為兩層之間的熱傳導而升高，第一次和第二次澆筑溫峰出現(xiàn)時間均為澆筑后第2～3d。3現(xiàn)場溫度控制技術措施大體積混凝土溫控是對混凝土質量的全面控制。由于大體積混凝土裂縫控制的復雜性和施工過程中的不確定性，為到達溫控標準的要求，現(xiàn)場需采取一系列溫控措施進行有效監(jiān)控，包括混凝土配合比優(yōu)化，澆筑溫度的控制，混凝土拌合、運輸、澆筑、振搗到通水、養(yǎng)護、保溫每個施工環(huán)節(jié)。3.1合理選擇混凝土原材料、優(yōu)化混凝土配合比優(yōu)選材質，提高普通混凝土的抗拉性能；應用微膨脹外加劑，改善混凝土的收縮性質；選用有效的緩凝高效減水劑和粉煤灰，提高大體積混凝土的和易性，減少水化熱，本工程中選用的是黃石華新P.O42.5礦渣水泥，采用級粉煤灰，F(xiàn)DN-5高效減水劑，選用鞏固耐久、級配良好的5～26.5mm的碎石，采用細度模數(shù)為2.7的中砂。在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應盡可能地降低混凝土的單位用水量，采用“三低〔低砂率、低坍落度、低水膠比〕雙摻〔摻高效減水劑和高性能引氣劑〕一高〔高粉煤灰摻量〕〞的設計準那么，生產(chǎn)出高強、高韌性、中彈、低熱和高抗拉性能的抗裂混凝土。3.2施工控制措施在承臺大體積混凝土施工過程中，從混凝土拌和、運輸、澆筑到保溫養(yǎng)護整個過程實施全程有效監(jiān)控，特別對混凝土分層、澆筑溫度和養(yǎng)護進行嚴格控制，保證混凝土施工質量?！?〕混凝土分層施工。根據(jù)混凝土生產(chǎn)能力、運輸條件等因素，將承臺混凝土分2層澆筑，每層澆筑2.5m，控制各層混凝土澆筑間隙期為7天左右。〔2〕降低混凝土入模溫度。澆筑溫度根據(jù)不同的季節(jié)施工要求均作了明確的控制要求，混凝土夏季最高入模溫度控制在30，混凝土冬季最低入模溫度控制在10，通過測定水泥、砂、石、水的溫度，估算出機溫度和澆筑溫度，在標準要求范圍內(nèi)，盡量降低混凝土的澆筑溫度，降低入模溫度是控制溫度峰值的最有效措施之一。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，提前將砂石料灑水并搭設遮陽棚來降低原材料的溫度，通過冷卻水拌和降低混凝土出機溫度?！?〕加強保溫措施。在澆筑大體積混凝土時，應在室外氣溫較低時進行，澆筑后的大體積混凝土應采取保溫措施以減少內(nèi)表溫差。早期供水養(yǎng)護可及時抑制混凝土的早期自收縮。在混凝土到達初凝后，必須立即用塑料薄膜和草袋覆蓋，防止大風和陽光曝曬，使外表水分劇裂蒸發(fā)，形成混凝土上部和下部硬化速度不均和差異收縮。因此采用可帶模供水的內(nèi)襯憎水塑料鋼模板或透水模板。保溫養(yǎng)護要及時、充分。環(huán)境溫度較低時，如果不采取適當?shù)谋仞B(yǎng)護措施，容易產(chǎn)生冷縮裂縫。根據(jù)要求，大體積混凝土內(nèi)外溫差、外表與環(huán)境溫差應控制在20以內(nèi)，施工中執(zhí)行“外保內(nèi)散〞的養(yǎng)護措施，即一方面在混凝土體內(nèi)埋設冷卻水管，一方面在混凝土外表蓋一定厚度的濕麻袋，予以保溫并防止外表水分的過快蒸發(fā)。3.3合理埋設冷卻水管在承臺混凝土內(nèi)部埋設冷卻水管，通過流動的冷卻水將散熱條件不佳的混凝土內(nèi)部熱量帶出，降低混凝土內(nèi)部溫度。同時埋設溫度傳感器，進行溫度監(jiān)測，保證承臺混凝土水化熱溫差符合標準要求在25℃以內(nèi)，冷卻水進出口溫差不超過6℃，并根據(jù)實際情況，及時調(diào)整水溫或流量，防止水管周圍溫度裂縫的產(chǎn)生。冷卻水管采用壁厚2.5mm、直徑φ32mm的圓鋼管。分兩層按蛇形布置〔如圖2所示〕，水平間距1m，豎向層間間距2.0m，冷卻管距混凝土邊緣為0.5m?；炷翝仓泻蜐仓箝_啟水循環(huán)散熱，根據(jù)計算分析結果通水流量取1.5m3/h，冷卻水與混凝土之間的溫度差限制在22℃以內(nèi)，利用轉換裝置，每天更換一次通水方向，力求均勻冷卻。冷卻完畢后冷卻管內(nèi)壓入與混凝土同標號的水泥凈漿灌實。4主要結論〔1〕本文分別考慮有冷卻水管和無冷卻水管作用，建立實體有限元模型，對大體積混凝土承臺進行施工期水化熱溫度場分析，通過分析比擬，結果說明設置冷卻水管降溫效果顯著。其計算結果可以用于指導設計和施工，為大體積混凝土施工制定合理的溫度控制方案提供依據(jù)?！?〕制定合理的溫控措施，是防止大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的重要保障，該長江大橋主橋橋墩承臺大體積混凝土施工，由于采取了較為先進的設計和嚴格合理的溫控方案，承臺無開裂現(xiàn)象，施工質量良好，滿足標準要求?！?〕大體積混凝土溫度控制與防裂是一項系統(tǒng)工程，施工前優(yōu)化混凝土配合比，控制混凝土澆筑溫度，采取合理的施工工藝，施工中的溫控措施，冷卻降溫措施、養(yǎng)護保溫條件等均對后期混凝土的內(nèi)外溫差和抗裂性能有重