濟(jì)南黃河三橋大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)

王業(yè)剛 王有志 魯 娜

隨著科技的不斷進(jìn)步和大跨度斜拉橋的不斷涌現(xiàn)，大體積和高標(biāo)號(hào)混凝土在工程中被廣泛運(yùn)用，這使得大體積混凝土溫度裂縫的問題更加突出，而且斜拉橋?qū)儆谥剌d作用下的輕型線形結(jié)構(gòu)物，先天性的溫度裂縫將給其留下不小的安全隱患[1，2]。

鑒于目前大體積混凝土研究普遍存在滯后性的缺點(diǎn)，對(duì)青銀高速濟(jì)南黃河特大斜拉橋進(jìn)行了研究，采用了數(shù)值分析與跟蹤監(jiān)測技術(shù)。在數(shù)值分析基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵部位預(yù)埋傳感器，采取與混凝土結(jié)構(gòu)一體化的監(jiān)測體系，同步感應(yīng)內(nèi)部溫度和強(qiáng)度變化，迅速采取相應(yīng)的溫度防控機(jī)制，防止溫度裂縫的形成。

1 工程概況

青銀高速公路濟(jì)南黃河大橋位于山東省濟(jì)南市東北部，是青島—銀川公路跨越黃河的一座特大橋，同時(shí)也是京滬高速公路輔線的關(guān)鍵工程之一。大橋全長4 473 m。橋塔采用倒Y形鋼混結(jié)構(gòu)，塔高197 m，爬模施工，塔柱合龍段為雙室截面，連續(xù)箱梁為單箱單室截面。施工中采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)高，膠材用量大，混凝土絕熱溫升高;多處關(guān)鍵部位體積大、一次澆筑混凝土方量多;內(nèi)外溫差和溫度梯度大，容易產(chǎn)生內(nèi)外約束裂縫。

2 大體積混凝土關(guān)鍵部位仿真分析

2.1 關(guān)鍵部位選擇

箱梁0號(hào)、1號(hào)和1′號(hào)塊混凝土同時(shí)澆筑，共長 11 m，分兩次澆筑，兩次澆筑方量分別為351 m3和121 m3;倒Y形塔柱合龍段是塔柱關(guān)鍵部位，標(biāo)高從156.8 m～167.7 m，分四節(jié)施工，每節(jié)3.4 m～4 m不等，實(shí)心部位尺寸較大，邊界約束復(fù)雜;38號(hào)主墩臺(tái)是9.75 m×4.0 m矩形斷面，一次澆筑方量混凝土241.4 m3，均屬大體積混凝土。

2.2 計(jì)算軟件及參數(shù)選擇

采用Midas/Civil對(duì)斜拉橋關(guān)鍵部位的水化熱過程進(jìn)行分析計(jì)算。各參數(shù)的取值是在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，并參照相應(yīng)公式進(jìn)行取值，絕熱溫升的試驗(yàn)結(jié)果見圖 1。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

1)溫度分析。計(jì)算結(jié)果表明，塔柱合龍段、箱梁橫隔板和主墩臺(tái)分別在120 h，80 h和60 h時(shí)溫度達(dá)到最大值，分別為63.1℃，82℃和74.2℃。在各構(gòu)件內(nèi)均取一核心點(diǎn)，繪制溫度隨時(shí)間的變化曲線見圖2?？梢钥闯?，曲線近似拋物線，中心點(diǎn)溫度最高，溫升梯度最大的時(shí)刻出現(xiàn)在0 h～60 h之間，溫降最大梯度發(fā)生在60 h～200 h之間，即溫度快速變化階段，最大內(nèi)外溫差超過25℃，因此在這一時(shí)刻應(yīng)特別注意采取溫控措施。

2)應(yīng)力分析。為了詳細(xì)分析其應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)各構(gòu)件取內(nèi)外兩個(gè)特征點(diǎn)，繪制其應(yīng)力時(shí)間變化曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有相似的變化規(guī)律，0號(hào)箱梁橫隔板結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，表面拉應(yīng)力均低于容許張拉應(yīng)力，但是在邊界溫度過低和初期混凝土強(qiáng)度很低的綜合因素影響下，若措施不當(dāng)，仍然會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力超過混凝土容許拉應(yīng)力而拉裂。在混凝土澆筑多天后，水分蒸發(fā)等引起收縮變形，但在結(jié)構(gòu)邊界條件約束不能自由變形的條件下，內(nèi)部拉應(yīng)力也會(huì)超過容許拉應(yīng)力，產(chǎn)生外約束裂縫，這種外約束裂縫和大體積混凝土內(nèi)部微裂縫的共同作用，往往產(chǎn)生更大的危害;因此必須采用有效的措施以避免溫度裂縫的產(chǎn)生。

3 現(xiàn)場實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測塔柱

3.1 測點(diǎn)布置

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，在關(guān)鍵部位采用跟蹤監(jiān)測技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)信息化施工。在塔柱合龍段、箱梁橫隔板和墩臺(tái)分別布置了30個(gè)，36個(gè)，24個(gè)測點(diǎn)，同時(shí)，還對(duì)氣溫、冷卻水管的水溫和時(shí)間、混凝土的出入倉溫度、澆筑溫度等進(jìn)行控制，以指導(dǎo)和反饋墩臺(tái)、箱梁和塔柱合龍段混凝土的溫控效果。

3.2 實(shí)測結(jié)果及與計(jì)算對(duì)比

限于篇幅，圖4僅給出索塔第三層、0號(hào)箱梁橫隔板中間列和墩臺(tái)第三層代表性點(diǎn)實(shí)測曲線，與圖2對(duì)比可以看出，模擬結(jié)果整體趨勢與實(shí)測溫度的整體趨勢一致，內(nèi)部混凝土溫度分析與實(shí)測溫度數(shù)值基本吻合，說明施工前期數(shù)值分析結(jié)果可以作為溫控施工措施安排的有力參照。

4 溫度裂縫控制指標(biāo)及對(duì)策

根據(jù)仿真分析結(jié)果和工程施工的實(shí)際情況，并參照相應(yīng)規(guī)定[4，5]提出以下溫度控制指標(biāo):

1)內(nèi)部溫度與表層溫度之差不大于25℃;2)內(nèi)部最高溫度不高于75℃;3)入模溫度在25℃以下;4)降溫速率最大不宜超過3℃/d;5)溫度梯度Grad T≤16℃/m;6)拆模后，表面溫度與環(huán)境溫度之差不大于15℃。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照澆筑前、澆搗中及澆筑后三個(gè)不同的階段有所側(cè)重的采取了以下溫控措施:

1)采用低水化熱水泥，并采用“雙摻”高性能混凝土技術(shù)，從源頭上減少水化熱，降低溫度峰值。2)合理安排澆筑時(shí)間，控制混凝土入倉及澆筑溫度。3)分層分塊澆筑，分層厚度1.0 m～3.0 m，在孔洞周圍、轉(zhuǎn)角等突變處設(shè)置溫度配筋。4)按照“外保內(nèi)降”原則，根據(jù)前期計(jì)算，合理埋設(shè)冷卻水管，由跟蹤監(jiān)測控制水溫和加水時(shí)間?！巴獗！睆?qiáng)調(diào)混凝土的合理拆模時(shí)間和保溫保濕。

5 結(jié)語

1)在黃河三橋大體積混凝土施工中，塔柱合龍段、箱梁橫隔板和主墩臺(tái)關(guān)鍵部位，最高實(shí)測溫度達(dá)到75℃，溫差超過20℃。因此，對(duì)于斜拉橋施工，大體積混凝土關(guān)鍵部位的水化熱問題必須嚴(yán)肅對(duì)待。2)在施工前期進(jìn)行仿真分析，既能預(yù)測溫度場變化情況，還可以據(jù)此制定溫度控制和跟蹤監(jiān)測方案。對(duì)比結(jié)果表明，仿真分析為溫控提供了有力參照。3)采用跟蹤監(jiān)測手段可以隨時(shí)掌握施工期混凝土的溫度特征和真實(shí)變化規(guī)律，及時(shí)采取有效的技術(shù)措施滿足溫控的指標(biāo)要求，指導(dǎo)工程施工。4)實(shí)踐證明，仿真分析與跟蹤監(jiān)測技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用是行之有效的，溫度裂縫控制措施效果良好，塔柱合龍段、0號(hào)箱梁橫隔板和主墩臺(tái)均未出現(xiàn)有害溫度裂縫，實(shí)現(xiàn)了信息化施工，為類似工程提供借鑒和參考。

[1] 胡 永.柳州三門江大橋大體積混凝土溫度控制技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(7):62-66.

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