關(guān)于橋梁工程中連續(xù)剛構(gòu)橋施工溫度問(wèn)題的探討

廖萬(wàn)輝，司 俊，張?zhí)煊?/p>

(貴州省公路工程集團(tuán)有限公司)

1 前 言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈的溫差荷載作用情況下極容易導(dǎo)致嚴(yán)重的溫度變形，從而對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)的使用性能造成影響，逐漸降低了剛構(gòu)橋的安全性、適用性、耐久性的要求。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

都柳江2 號(hào)特大橋位于廈蓉高速公路凱里市榕江縣古州鎮(zhèn)，橫跨都柳江，主橋采用90 m +170 m +90 m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁，引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，橋梁全長(zhǎng)704.06 m。

主橋連續(xù)鋼構(gòu)箱梁箱梁頂板寬12.75 m，底板寬7 m，懸臂翼緣長(zhǎng)2.875 m，單箱單室結(jié)構(gòu)。箱梁根部梁高10.5 m，跨中梁高3.5 m，箱梁頂板厚28 cm，腹板厚度采用40 cm、55 cm、70 cm 三種厚度，箱梁根部底板厚100 cm，跨中底板厚32 cm，箱梁高度以及箱梁底板厚度按二次拋物線變化。

2.2 溫度計(jì)算

2.2.1 混凝土拌合物澆筑完成時(shí)的溫度

混凝土拌合物澆筑完成時(shí)的溫度可以運(yùn)用公式T2=T1－(аTt+0.032n)(T1－Ta)進(jìn)行計(jì)算，其中a 表示溫度損失系數(shù)，完成澆筑所消耗的時(shí)間用Tt表示，n 表示混凝土拌合物轉(zhuǎn)運(yùn)的次數(shù)，Ta表示運(yùn)輸過(guò)程中當(dāng)?shù)卮髿鉁囟?。?jì)算過(guò)程如下

T2=30.3－(0.25×0.5+0.032×1)［30.3－25］=29.5 ℃

2.2.2 混凝土最高溫升值

Tmax=T2+mce/10 +F/50

式中:Tmax為混凝土最高溫度升值，℃;mce為水泥用量，kg;F為粉煤灰用量，kg;Tmax=29.5 +352.8/10 +70/50 =66.2 ℃。

另外，水泥水化熱在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的最高溫度值Tmax也可按下式估算

Tmax=T2+WQ·ξ/с×ρ

式中:T2為混凝土拌合物經(jīng)運(yùn)輸至澆筑完成時(shí)的溫度，℃;W為每1 m3混凝土中的水泥用量，(kg/m3);Q 為水泥的水化熱，(J/kg);C 為混凝土的比熱，(J/kg·K)，一般取C =0.96 J/kg·K;ρ 為混凝土的密度，取2 400 kg/m3;ξ 為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不同厚度澆筑板塊的散熱系數(shù)，當(dāng)厚度h=1 m 時(shí)，ξ=0.23;h=15 m，ξ=0.35;h=2 m，ξ=0.48;h=25 m，ξ=0.61;h=3 m，ξ=0.73;h=35 m，ξ=0.83;h=4;ξ=0.95。

剛構(gòu)橋的混凝土現(xiàn)澆箱梁用42.5R 礦渣水泥，W=252 kg/m3，水泥的水化熱Q=293 J/kg，混凝土比熱C=0.96 J/kg·K，混凝土的密度，ρ=2 400 kg/m3，h=3.65 m，ξ=0.86，混凝土拌合物經(jīng)運(yùn)輸至澆筑完成時(shí)的溫度T2=29.5(℃)，則Tmax=T2+WQ·ξ/с×ρ=29.5+252×293×0.86/0.96×2 400=57.1 ℃。

2.2.3 混凝土表面溫度

在進(jìn)行連續(xù)剛構(gòu)橋混凝土箱梁養(yǎng)護(hù)的時(shí)候，首先必須根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件控制溫度，并且對(duì)澆筑完成之后的混凝土表面和內(nèi)部測(cè)溫，必須將兩者之間的溫度差控制在25 ℃范圍以內(nèi)。

2.2.4 保溫材料厚度的確定

保溫材料的厚度值根據(jù)公式δ =0.5Hλ(Ta－ T6)/ λ1(Tmax－ Ta)·K 進(jìn)行計(jì)算，其中保溫材料的厚度用δ 表示，混凝土的厚度用H 表示，λ 表示養(yǎng)護(hù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，λ1表示混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，Tmax表示混凝土的最高溫度值，Ta表示混凝土與保溫材料接觸面處的溫度值，當(dāng)內(nèi)外溫差控制在25 ℃時(shí)，則取Ta= Tmax－25 ℃，T6表示混凝土達(dá)到最高溫度時(shí)的大氣平均濁溫度值);傳熱系數(shù)的修正值用K 表示，計(jì)算過(guò)程如下:δ=0.5 ×1 ×0.1(41.2－25)/2.3 ×(66.2－41.2)×1.3 =0.014(m)

保溫材料采用2 cm 厚的麻片。其表面的溫度會(huì)更高一些，保溫層的厚度可相應(yīng)減薄些。另附加一層塑料薄膜以保溫。

兩種方法計(jì)算出的最高溫度分別為66.2 ℃、57.1 ℃，該溫度值是連續(xù)剛構(gòu)橋混凝土箱梁內(nèi)部中心店的最高溫度峰值，通常在混凝土澆筑后的3 d 左右產(chǎn)生，之后就會(huì)逐漸穩(wěn)定，不會(huì)再繼續(xù)升溫，相反會(huì)逐漸開始降低溫度。但這個(gè)溫度確是很高的，混凝土箱梁底部和四周如果受到較強(qiáng)的約束，足以使混凝土箱梁產(chǎn)生裂縫為減少混凝土的水化熱溫升，降低混凝土的澆灌溫度，減少混凝土箱梁的約束，提高混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，減少溫度收縮應(yīng)力，預(yù)防裂縫的出現(xiàn)。

2.3 溫度應(yīng)力計(jì)算

2.3.1 混凝土收縮變形值計(jì)算

根據(jù)公式εy(t)=ε0y(1－e－0.01t)×M1×M2×M3×……M10進(jìn)行計(jì)算，其中εy(t)表示各齡期混凝土的收縮變形值;ε0y表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的混凝土最終收縮值;e 是一個(gè)常數(shù)，取值為2.718;t 表示混凝土澆筑之后產(chǎn)生的天數(shù)M1～M10為考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)，根據(jù)表格查取。

根據(jù)已知條件和查表，取值如下

M1=0.25 M2=0.9 M3=1 M4=1.62 M5=1.45 M6=1 M7=0.77 M8=0.21(截面積為647 m2=24.28×3.65 m)，

則r=(24.28 +3.65)×2/647 =0.09 M9=1 M10=0.76(按每1 m3混凝土含75 kg 鋼筋計(jì)算:EaAa/EbAb=2.0×105 ×0.00096/2.8 ×104×1 =0.07)。

εy(t)=3.24 ×10－4(1－2.718－0.01×18)×1.25 ×0.9 ×1 ×1.62 ×1.45 ×1 ×0.77 ×0.21 ×1 ×0.76 =0.23 ×10－4

2.3.2 溫差計(jì)算

Ty(t)=－εy(t)/а

式中:Ty(t)為各齡期混凝土收縮當(dāng)量溫差(℃)，負(fù)號(hào)表示降溫;εy(t)為各齡期混凝土的收縮變形值;а 為混凝土的線膨脹系數(shù)，取1.0 ×10－5。

Ty(18)=－0.23 ×10－4/1 ×10－5=－2.3 ℃

2.3.3 箱梁混凝土的最大綜合溫度差

混凝土的最大綜合溫度差根據(jù)公式△T =T2+2/3Tmax+Ty(t)－Th進(jìn)行計(jì)算，其中△T 表示箱梁混凝土的最大綜合溫度差;T2用來(lái)表示混凝土拌合物經(jīng)運(yùn)輸至澆筑完成時(shí)的溫度;Tmax表示箱梁混凝土最高溫度值;Ty(t)各齡期混凝土收縮當(dāng)量溫差;Th為混凝土澆筑后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的溫度，一般根據(jù)歷年氣象資料取當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?℃)(5月10日澆完28 天后即6月8日，當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁厝?5 ℃)。

T=29.5 +2/3 ×66.2 +(－2.3)－35 =36.3 ℃

2.3.4 混凝土溫度收縮應(yīng)力計(jì)算

由于混凝土箱梁底板兩個(gè)方向的尺寸都比較大，所以需要考慮兩個(gè)方向所受的外約束來(lái)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下δ=－E(t).a·ΔT/(1－υ)·H(t)·R。其中δ 表示箱梁混凝土溫度應(yīng)力;H(t)表示考慮徐變影響的松馳系數(shù);a 表示混凝土的線膨脹系數(shù)，這里取值10 ×10－6(1/℃);

R 用來(lái)表示混凝土的外約束系數(shù)，當(dāng)為巖石地基時(shí)，取R=1;當(dāng)為可滑動(dòng)的砂或混凝土墊層地基時(shí)，R=0;υ 表示箱梁混凝土的泊松比，取值為0.15。因此計(jì)算如下

δ=－2.246×104×10×10－6×36.3/1－0.15×0.389×0.15

通過(guò)計(jì)算，該連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁混凝土，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度達(dá)到41.2 ℃左右并且齡期達(dá)到18 d 的時(shí)候，強(qiáng)度可以達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的100%。同時(shí)箱梁混凝土C50的抗拉度設(shè)計(jì)值為2.75 N/mm2。降溫時(shí)混凝土的最大拉應(yīng)力應(yīng)小于混凝土的抗拉設(shè)計(jì)值。

3 施工控制

由于連續(xù)剛構(gòu)橋梁上部構(gòu)造施工周期較長(zhǎng)，應(yīng)根據(jù)不同季節(jié)氣候變化適時(shí)調(diào)整混凝土溫控措施。

夏季施工考慮施工當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁卦?5℃左右，根據(jù)混凝土現(xiàn)澆箱梁特點(diǎn)，擬采取降低混凝土內(nèi)部溫度的措施來(lái)控制溫差，即按施工組織設(shè)計(jì)要求，在混凝土內(nèi)部埋設(shè)循環(huán)冷卻水管，砂石骨料必須定時(shí)用水沖洗降溫，混凝土泵送過(guò)程應(yīng)當(dāng)適時(shí)假如緩凝劑降低澆筑時(shí)候的水化熱等措施。表面溫度的控制采取一層塑料薄膜加兩層麻絮并灑水養(yǎng)護(hù)，混凝土澆注完成做好測(cè)溫。

冬季施工時(shí)，為保證箱梁養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度，并使內(nèi)外溫差控制在20 ℃，因此可考慮將拌合用水加熱并盡可能縮短混凝土運(yùn)輸時(shí)間，輸送泵可采用毛毯進(jìn)行包裹。養(yǎng)護(hù)時(shí)可在掛籃的尾端安裝1 立方容積的鍋爐采用熱水養(yǎng)護(hù)，熱水一般加熱溫度控制在50 ℃左右方可使用。箱梁混凝土澆注完畢待初凝后，立即對(duì)頂板和底板混凝土表面用麻片進(jìn)行覆蓋，防止混凝土受凍。掛籃頂用型鋼搭設(shè)支撐架，軍用帆布封頂以減少混凝土熱量散失且可遮擋雨雪;掛籃的前后和兩側(cè)可用土工布做成卷簾，在施工有干擾時(shí)卷起，無(wú)影響時(shí)保持封閉，避免混凝土熱量散失。箱梁內(nèi)箱保溫采用數(shù)盞碘鎢燈進(jìn)行烘烤，確保箱內(nèi)溫度并做好溫度監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)混凝土箱梁三個(gè)施工階段日照溫度場(chǎng)的實(shí)橋觀測(cè)，確定了各個(gè)施工階段對(duì)混凝土箱梁日照溫度場(chǎng)的影響方式和影響大小;確定了混凝土箱梁日照溫度場(chǎng)和溫度梯度的特點(diǎn)，為混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁的研究和設(shè)計(jì)工作提供了定性指導(dǎo);通過(guò)對(duì)實(shí)橋項(xiàng)目三個(gè)階段的溫度觀測(cè)及觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理，得出了混凝土箱梁日照溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)的幾個(gè)結(jié)論，其中，混凝土箱梁橋面鋪裝對(duì)箱梁日照溫度場(chǎng)影響較大對(duì)于箱梁組合截面梁橋，邊箱梁的內(nèi)側(cè)與外側(cè)溫度場(chǎng)差異較為明顯等特點(diǎn)對(duì)今后的研究及設(shè)計(jì)工作具有參考作用。

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