大跨度懸索橋錨碇大體積砼溫控技術(shù)

楊寧　曾旅中

【摘 要】選擇某座大跨度懸索橋錨碇的錨塊大體積砼施工實(shí)例，利用MIDAS軟件建立了該橋錨碇錨塊大體積砼溫控?cái)?shù)值計(jì)算模型，以溫控?cái)?shù)值計(jì)算結(jié)果為判別依據(jù)確定了錨碇錨塊大體積砼分層分塊及保溫溫控施工方案，對(duì)錨碇錨塊大體積砼施工全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)與調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了錨碇錨塊大體積砼的信息化施工，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度及時(shí)調(diào)整冷卻水通水和保溫保濕養(yǎng)護(hù)等溫控措施。該橋錨碇錨塊大體積砼澆注完成，其各結(jié)構(gòu)層未出現(xiàn)溫度裂縫。

【關(guān)鍵詞】橋梁工程；大跨度懸索橋；大體積砼；錨碇；溫控

0 前言

大體積砼施工規(guī)范規(guī)定：砼結(jié)構(gòu)物最小尺寸不小于1m的大體量砼，或預(yù)計(jì)會(huì)因砼中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的砼為大體積砼[1]。工程師對(duì)大體積砼問(wèn)題的關(guān)注，是從對(duì)大型水壩的施工質(zhì)量控制開(kāi)始的，國(guó)外開(kāi)展的系統(tǒng)研究較早。自1930年后，工程師們開(kāi)始注意大體積砼的裂縫問(wèn)題，并且認(rèn)識(shí)到溫度梯度引起的溫度應(yīng)力是大體積砼裂縫產(chǎn)生的根本原因。1933年美國(guó)在建造221m高的胡佛壩時(shí)，對(duì)大體積砼進(jìn)行研究，實(shí)施了多項(xiàng)溫控技術(shù)措施，取得了良好的溫控效果。至20世紀(jì)60年代，大壩砼的溫控已經(jīng)取得了較多的研究成果，形成了一套比較有效的防裂措施[2-7]。我國(guó)大體積砼水工工程的建設(shè)起步相對(duì)較晚，從20世紀(jì)50年代開(kāi)始重視研究大體積砼的溫度裂縫問(wèn)題，溫控技術(shù)發(fā)展迅速，日趨成熟[8-10]。應(yīng)用于三峽工程壩體建設(shè)取得了成功。在橋梁工程中大體積砼也廣泛應(yīng)用。由于大跨徑橋梁中應(yīng)用的大體積砼結(jié)構(gòu)的砼配合比、結(jié)構(gòu)形狀與約束條件等都與壩體工程中的大不相同，國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁工程大體積的溫控防裂技術(shù)的研究也有不少。國(guó)內(nèi)已建成的大跨徑橋梁中，少部分大跨橋梁雖然在大體積砼施工中也采取了一些溫控技術(shù)措施，但仍出現(xiàn)了一些溫度裂縫[11]。橋梁結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)了超過(guò)一定寬度的裂縫，輕則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)鋼筋生銹，保護(hù)層脫落，需要局部修補(bǔ)加固，重則可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)倒塌，威脅人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。本文以某大跨度懸索橋錨碇大體積砼施工為背景，按照預(yù)測(cè)時(shí)間和天氣進(jìn)行溫控預(yù)測(cè)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出并修正大體積砼溫控方案，為該橋錨碇大體積砼施工提供技術(shù)支持。

1 工程背景

該橋?yàn)閱慰绾?jiǎn)支大跨懸索橋，其跨徑布置為200+856+190m。該橋主纜的矢跨比為1/10，主梁鋼桁梁全長(zhǎng)為854m，索塔為門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，該懸索橋兩岸均采用了重力式錨碇。立面布置見(jiàn)圖1。

該橋兩岸錨碇均分為左、右兩幅。一岸錨塊高32m，采用C30砼，分17層澆筑，平面最大尺寸為31.5×46m，澆筑厚度分為1.5m×2層、2.0m×13層、1.5m×2層。砼一次澆筑的最大方量為1383.6 m3。其分層情況見(jiàn)圖4和表2。另一岸錨塊高29m，采用C30砼，分16層澆筑，平面最大尺寸為30.5×56.7m，澆筑厚度分為2m×6層、1.5m×4層、2m×4層、1.5m×2層。散索鞍基礎(chǔ)高23.5m，采用C40砼，分13層澆筑，澆筑厚度分為1.5m×2層、2.0m×2層、1.5m×2層、2.0m×2層、2.0m×4層、1.5m×1層。砼一次澆筑的最大方量為1644.6 m3。一岸錨碇分層澆筑示意見(jiàn)圖2。錨塊采用C30砼，采用的配合比見(jiàn)表1，散索鞍支墩采用C40砼，限于篇幅其配合比略。

2 溫控?cái)?shù)值分析

2.1 數(shù)值模型參數(shù)的確定

（1）砼彈性模量

測(cè)得砼彈性模量值見(jiàn)表2所示。

（2）砼的抗拉強(qiáng)度

測(cè)得砼的劈裂抗拉強(qiáng)度與軸拉強(qiáng)度見(jiàn)表3所示。

（3）砼的絕熱溫升

做了混凝土絕熱溫升試驗(yàn)，得到水泥的水化熱見(jiàn)表4所示。

（4）冷卻水管布置參數(shù)

砼內(nèi)部設(shè)置管冷，管冷水平間距和豎直間距一般均為0.75m。管冷計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表5。

（5）砼的熱力學(xué)參數(shù)

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和參考資料[9-11]，砼的熱力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表6。

（6）大氣氣溫

溫控方案確定時(shí)工地大氣氣溫參考了該地區(qū)氣象站測(cè)量得到近四年的月平均氣溫和月最低、最高氣溫資料；而在實(shí)時(shí)溫控計(jì)算時(shí)，大氣氣溫取實(shí)測(cè)值。

（7）砼的入模溫度

溫控方案確定時(shí)砼入模溫度取大氣氣溫減3度；而在實(shí)時(shí)溫控計(jì)算時(shí)，入模溫度取實(shí)測(cè)值。

2.2 數(shù)值模型

采用MIDAS軟件對(duì)該錨碇錨塊進(jìn)行溫控計(jì)算時(shí)根據(jù)對(duì)稱(chēng)性取1/2結(jié)構(gòu)建模。采用實(shí)體單元模擬錨碇錨塊，一岸錨碇共計(jì)21648個(gè)單元，27508個(gè)節(jié)點(diǎn)。一岸錨碇錨塊單元模型見(jiàn)圖3，錨碇冷卻水管的模擬示意圖見(jiàn)圖4。

3 施工現(xiàn)場(chǎng)溫控監(jiān)測(cè)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)溫控監(jiān)測(cè)流程

錨塊砼溫控過(guò)程中，為實(shí)時(shí)掌握溫控信息，檢查效果，便于實(shí)時(shí)調(diào)整溫控的措施，在砼澆筑時(shí)進(jìn)測(cè)量了每層砼入模溫度，在砼澆筑后也實(shí)時(shí)測(cè)試塊體砼澆筑層內(nèi)部溫度、表面溫度、降溫速率和大氣溫度。其溫控監(jiān)測(cè)流程見(jiàn)圖5。

施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的溫控?cái)?shù)據(jù)能及時(shí)提供信息反映大體積砼澆筑塊體內(nèi)表溫差和降溫速率等實(shí)際參數(shù)及所采取溫控技術(shù)措施的效果，為技術(shù)人員在溫控時(shí)采取溫控對(duì)策提供依據(jù)。

3.2 砼各層溫度測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)錨碇錨塊特點(diǎn)，每個(gè)砼層溫度測(cè)點(diǎn)在1/4范圍布設(shè)。布設(shè)測(cè)點(diǎn)時(shí)要考慮到每層砼塊體澆筑時(shí)間不一致，并在各層區(qū)域均勻布置，測(cè)點(diǎn)布設(shè)中心區(qū)為重點(diǎn)區(qū)域。某結(jié)構(gòu)層砼的溫度測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖6，所有各砼層的溫控測(cè)點(diǎn)布設(shè)參考此層。

3.3 測(cè)量?jī)?nèi)容和頻率

各砼層大體積砼施工前后需測(cè)試的內(nèi)容及其要求見(jiàn)表7。

3.4 溫控措施

在錨碇塊體砼澆筑前后，要根據(jù)實(shí)時(shí)溫度測(cè)量結(jié)果相應(yīng)地采取措施：

（1）大體積混凝土施工盡量選取中低熱水泥，并盡量在配合比試驗(yàn)時(shí)降低水泥用量。

（2）在溫度較高的夏季，大體積砼拌合用水應(yīng)盡量采用大功率冷水機(jī)制備的冷水，而且在砼澆筑前也可用冷水機(jī)制備的冷水給石料降溫。

（3）如果可能盡量選擇較適宜的氣溫條件澆筑大體積砼，盡量避開(kāi)高溫時(shí)段，在炎熱的夏季骨料應(yīng)有防曬措施。

（4）砼澆筑完成即可通冷卻水，直到砼中心處開(kāi)始降溫，則減少通水量，如減少一半；砼降溫速率接近2.0℃/d，則停止通水，停水后若塊體溫度轉(zhuǎn)為上升，則又通少量水。

（5）如果發(fā)現(xiàn)內(nèi)表溫差接近25℃或者降溫速率接近2.0℃/d時(shí)，應(yīng)立即采取保溫措施：及時(shí)對(duì)砼表面進(jìn)行覆蓋，如果內(nèi)表溫差和降溫速率還未改善，則應(yīng)在覆蓋層內(nèi)布設(shè)碘鎢燈為表面加熱保溫；塊體砼側(cè)面在拆模后懸掛保溫材料。若遇到氣溫突降時(shí)，除對(duì)剛澆筑的砼層采取一定保溫措施外，還應(yīng)對(duì)20天齡期內(nèi)的砼采取保溫措施。

4 溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

根據(jù)所測(cè)各砼層溫度，繪制了各測(cè)站各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度實(shí)測(cè)曲線，限于篇幅選取一岸錨碇左幅錨塊第3層砼3-B測(cè)站測(cè)點(diǎn)和CBM3溫度實(shí)測(cè)曲線、另一岸錨碇左幅錨塊第11層砼11-C測(cè)站測(cè)點(diǎn)溫度和氣溫實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖7和圖8。由圖7和圖8知，錨塊各結(jié)構(gòu)層砼溫度都有比較快速地升溫、降溫和緩慢降溫的典型過(guò)程，直至溫度逐漸穩(wěn)定下來(lái)。砼澆筑后2到3天即可達(dá)到溫度峰值，并且持續(xù)時(shí)間均較短，一般約2～6小時(shí)后即進(jìn)入降溫階段，降溫階段的降溫速率非常容易超標(biāo)，一方面要采取保溫措施，另一方面，對(duì)降溫速率的指標(biāo)限值是否過(guò)于苛刻也值得研究和探討；錨碇錨塊砼澆筑完成，水泥水化熱對(duì)砼的升溫過(guò)程起決定性作用，約10天后砼溫度變化曲線隨大氣氣溫變化出現(xiàn)一定變化，約15天之后變化趨平緩。

根據(jù)氣溫等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算一岸右幅錨碇錨塊6層主要溫控指標(biāo)匯總見(jiàn)表8。由表8可知，錨碇錨塊的主要溫控指標(biāo)中，有3個(gè)砼層的降溫速率稍大于規(guī)范推薦限值2.0℃/d；其余錨塊結(jié)構(gòu)層溫控指標(biāo)在推薦限值以?xún)?nèi)。其他各項(xiàng)指標(biāo)也均在溫控推薦限值以?xún)?nèi)。

除以上溫控監(jiān)測(cè)結(jié)果，在施工現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)真檢查，未發(fā)現(xiàn)砼表面出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)溫度裂縫。

5 結(jié)論

（1）大體積砼施工前，應(yīng)選用中、低熱水泥，大體積混凝土施工所用水泥其3d的水化熱不宜大于240kJ/kg，7d的水化熱不宜大于270kJ/kg；適當(dāng)減少每立方米混凝土中的水泥用量。使用粗骨料，盡量選用粒徑較大、級(jí)配良好的粗骨料；摻加粉煤灰摻合料，可以有效的降低混凝土早期的水化熱，降低水灰比，以達(dá)到減少水泥用量、降低水化熱的目的。

（2）當(dāng)混凝土澆筑體內(nèi)部的降溫速率接近2.0℃/h時(shí)，采用冷卻水管出來(lái)的進(jìn)行混凝土表面養(yǎng)生，如果降溫速率仍無(wú)改善，停止通冷卻水，如果停止通冷卻水后降溫速率仍然大于2.0℃/h，則外表面增加保溫措施。

（3）在大體積混凝土施工和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，密切關(guān)注天氣預(yù)報(bào)，如果遇到大雨或氣溫驟降的天氣情況，及時(shí)在承臺(tái)頂面和側(cè)面增加棉被或防雨布，或增加表面保溫層的厚度，因此施工方應(yīng)準(zhǔn)備好防雨布和保溫層。

（4）該大懸索橋錨碇錨塊未出現(xiàn)溫度裂縫，所采用的溫控技術(shù)可供同類(lèi)的大體積砼施工借鑒。

【參考文獻(xiàn)】

[1]GB 50496-2009大體積砼施工規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

[2]Troxelle G.E.，Davis H.E.. Composition and Properties of Concrete. NewYork： McGraw-Hill Book Co.，1956，1-20.

[3]Gardner N.J..Effect of Temperature on the Early-Age of Type I， Type III and Type I Fly ash Concrete.ACI Material Journal， 1990， 89（6）：68-78.

[4]Brooks J.J.，Al-ksisi A.F..Early Strength Development of Porland and Slag Cement Concretes Cured at Elevated Temperature.ACI Material Journal， 1990，89（10）：503-507.

[5]Oluokun F.A.，Burdette E.G.，Deatheage H..Elastic Modulus， Poissons Ratio and Compressive Strength Relationships at Early-Age.ACI Structural Journal，1991，103（1）：3-10.

[6]Wilson E L， The determination of temperatures within mass concrete structures （SESM Report No.68-17），Structures and Materials Reserch， Department of Civil Engineering， University of Califonia，Berkeley， Dee. 1968：187-202.

[7]Tatro Stephen B， Sehrader Ernest K， Thermal analysis for RCC-a Practical Approach.Roller Competed Concrete， San Diego， California： Published by ASCE，1992：389-406.

[8]SL 319-2005砼重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[9]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[10]朱伯芳.大體積砼溫度應(yīng)力與溫度控制 [M].北京： 中國(guó)電力出版社，1999.

[11]劉興法.砼結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析[M].北京：人民交通出版社，1991.

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