后河大橋主墩承臺(tái)混凝土施工溫度監(jiān)控及防裂研究

程斌

【摘要】本文以丹江口習(xí)家店鎮(zhèn)后河大橋主墩承臺(tái)大體積混凝土溫度監(jiān)測(cè)和裂縫控制為研究?jī)?nèi)容，系統(tǒng)開展了承臺(tái)大體積混凝土溫度控制研究。通過澆筑混凝土材料的選擇，冷卻循環(huán)水管的設(shè)置，控溫保溫養(yǎng)護(hù)措施的實(shí)施，對(duì)整個(gè)施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了大體積混凝土施工的有效控制。承臺(tái)混凝土澆筑完成后，未出現(xiàn)裂縫，達(dá)到了預(yù)期的監(jiān)控目的。

【關(guān)鍵詞】大體積混凝土；溫度；監(jiān)控

1工程概況

丹江口后河大橋主橋上部構(gòu)造為（67+120+67）m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，箱梁斷面采用單箱單室，根部梁高7.lm，跨中粱高2.7m，項(xiàng)板厚28cm，底板厚從跨中至根部由32cm變化為70cm，腹板從跨中至根部分三段采用45cm、60cm、70cm三種厚度，箱梁高度和底板厚度按2次拋物線變化。主墩墩身采用雙肢等截面實(shí)心薄壁墩，墩身橫橋向最長(zhǎng)處6.5m，順橋向壁厚1.5m。主墩承臺(tái)長(zhǎng)12.40m，寬12.20m，高4.0m，屬大體積混凝土?；A(chǔ)采用樁徑2.Om的鉆孔灌注樁，每墩共9根樁。

2大體積混凝土施工溫度產(chǎn)生裂縫的原因

引起大體積混凝土結(jié)構(gòu)開裂的因素十分復(fù)雜，探究溫度應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因，主要有以下四個(gè)方面：

（1）水泥水化熱的影響。水泥在水化的過程中要釋放出大量的熱量，并通過邊界把部分熱量向四周傳遞（散熱）。硬化初期，水泥水化速度快，發(fā)熱量大于散熱量，使混凝土升溫；硬化后期，水泥水化速度減慢，當(dāng)發(fā)熱量小于散熱量時(shí)，混凝土溫度開始下降。但在澆筑初期，混凝土的彈性模量較低，徐變較大，因此對(duì)溫變引起的變形約束不大，相應(yīng)的溫度應(yīng)力也比較小；隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土彈性模量迅速增長(zhǎng)，徐變減小，對(duì)降溫收縮變形的約束也越來(lái)越強(qiáng)，并產(chǎn)生溫度應(yīng)力（拉應(yīng)力），當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗這種拉應(yīng)力時(shí)，便容易出現(xiàn)溫度裂縫。

（2）外界氣溫變化的影響?；炷羶?nèi)部溫度是水化熱的絕熱溫升、澆筑溫度和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度的疊加，因此在施工階段受外界氣溫的影響主要體現(xiàn)在兩方面：

1、外界氣溫越高，混凝土的澆筑溫度也越高，相應(yīng)最高溫升值也越高；

2、外界氣溫下降，又增加混凝土的降溫幅度，特別是氣溫驟降，會(huì)大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度，形成“冷擊”。內(nèi)外溫差越大，溫度應(yīng)力也越大。

（3）混凝土收縮變形的影響?；炷恋氖湛s變形主要有澆筑初期（終凝前）的凝縮變形、硬化混凝土的干燥收縮變形、自生收縮變形、溫度下降引起的冷縮變形以及碳化引起的碳化收縮變形等五種。混凝土的收縮變形越大，收縮變形的分布越不均勻，產(chǎn)生的應(yīng)力也越大。

（4）約束條件的影響?；炷两Y(jié)構(gòu)在變形變化中，必然受到一定的約束，阻礙其自由變形。這種約束分外約束和內(nèi)約束（自約束）。外約束指結(jié)構(gòu)的邊界條件，如基礎(chǔ)或其他外界因素對(duì)結(jié)構(gòu)變形的約束；內(nèi)約束指結(jié)構(gòu)內(nèi)部非均勻的溫度及收縮分布，各質(zhì)點(diǎn)變形不均勻而產(chǎn)生的相互約束。外約束分自由體、全約束（剛性約束）和彈性約束三種?；炷恋氖湛s變形因受到約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過其相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便引起開裂。

3承臺(tái)混凝土配合比

后河大橋承臺(tái)的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土配合比見表3.1。

4 承臺(tái)冷卻水管布置

承臺(tái)的冷卻水管采用φ40mm導(dǎo)熱性能良好的鋼管，在高方向上布置在高度方向上布置四層冷卻水管，每層冷卻水管又分為4個(gè)獨(dú)立的循環(huán)管路。承臺(tái)冷卻水管的布置形式見下圖。

主墩承臺(tái)冷卻水管布置圖

5溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的仿真分析

溫控計(jì)算采用有限元橋梁專用程序Midas/Civil的水化熱計(jì)算模塊進(jìn)行，該程序用于溫控計(jì)算的有以下主要特點(diǎn)：

（1）該程序可以對(duì)施工期大體積混凝土的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬分析；

（2）能夠考慮混凝土入模溫度、水泥絕熱溫升、混凝土的強(qiáng)度和彈模增長(zhǎng)曲線、混凝土自身的收縮徐變、混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、混凝土放熱系數(shù)、冷卻水等參數(shù)，以及地基固定溫度、環(huán)境溫度等施工環(huán)境條件。

6溫度監(jiān)測(cè)方法

對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真模擬計(jì)算，是從理論上掌握大體積混凝土內(nèi)部溫度發(fā)展變化情況和溫度應(yīng)力的發(fā)展變化情況，實(shí)際施工中將會(huì)存在一定的差異，主要原因是計(jì)算模型中所取用的相關(guān)參數(shù)與大體積混凝土實(shí)際施工狀態(tài)不可能完全一致，這就需要對(duì)施工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果隨時(shí)與理論計(jì)算及其結(jié)果進(jìn)行比較、分析，及時(shí)調(diào)整參數(shù)取值、修正計(jì)算模型并采取相應(yīng)的溫控措施，只有這樣才能保證計(jì)算、分析結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性，并依據(jù)計(jì)算、分析結(jié)果完善溫控措施，確保溫度應(yīng)力不超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，避免出現(xiàn)溫度裂縫。

溫度監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容包括：

（1）施工體系測(cè)量

施工體系測(cè)量涉及三個(gè)方面的主要內(nèi)容：混凝土體系、環(huán)境體系及施工工藝相關(guān)內(nèi)容。

混凝土體系主要包括：配合比試驗(yàn)、絕熱溫升試驗(yàn)、彈性模量試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)等；環(huán)境體系主要包括：當(dāng)?shù)啬隁鉁亍⑷諝鉁?、寒潮及風(fēng)速等的變化規(guī)律分析，地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定溫度調(diào)查和分析、基礎(chǔ)約束情況調(diào)查分析等；施工工藝的主體內(nèi)容包括：實(shí)際施工中的總體施工方案、管冷方案、保溫方案及混凝土澆筑方案等。

（2）混凝土溫度場(chǎng)測(cè)量

對(duì)本項(xiàng)目的承臺(tái)溫度測(cè)點(diǎn)的布置形式初步擬定如下圖所示。其中，頂層溫度測(cè)點(diǎn)布置混凝土表面以下在5cm處；底面溫度測(cè)點(diǎn)布置在混凝土底面以上5cm處。最終實(shí)施的測(cè)點(diǎn)布置形式根據(jù)分塊分縫設(shè)置、冷卻水管的實(shí)際布置形式和溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果作適當(dāng)調(diào)整。

主墩承臺(tái)溫度測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

（3）環(huán)境體系溫度測(cè)量

環(huán)境體系溫度測(cè)量包括大氣溫度、冷卻水溫度。

大氣溫度測(cè)量包括承臺(tái)頂面、側(cè)面和底面表面處的溫度。選取代表性的冷卻水管，在水管進(jìn)水口、出水口及直線段中部安裝溫度傳感器，測(cè)量冷卻水的溫度。

環(huán)境體系溫度測(cè)量與大體積混凝土溫度測(cè)量同步進(jìn)行。

7 防裂措施

（1）控制澆筑溫度?？刂茲仓囟瓤梢越档突炷恋目倻厣?，減少結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差。在使用前用冷水沖洗集料，但每m3混凝上中石子與砂所占重量最大，最有效的辦法是降低石子與砂的溫度，盡量降低混凝土入模溫度。

（2）通水冷卻。設(shè)置冷卻管通冷卻水，能直接達(dá)到降低水化熱溫度的效果。但冷卻水與混凝土的溫差不宜過大。采用內(nèi)散外蓄綜合養(yǎng)護(hù)措施，降低大體積混凝土的溫升值。

（3）承臺(tái)表面局部范圍內(nèi)水化熱應(yīng)力較大，可以在承臺(tái)表層布防裂鋼筋網(wǎng)，可以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。

（4）保溫保濕措施。承臺(tái)混凝土澆注完成后必須對(duì)承臺(tái)采取保溫保濕措施，可在混凝土表面設(shè)置土工布進(jìn)行保溫，確保混凝土表面與大氣溫差不大于20℃及保證混凝土表面溫度不能驟降5℃。

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