五峰山長江大橋大體積錨碇混凝土的施工期應力數(shù)值仿真及控制

袁 敏 張義樂 王京杭 強 晟

(1. 河海大學 水利水電學院， 南京 210098；2. 中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司 檢測試驗所， 南京 210061)

大體積混凝土施工期應力一般來源于溫度、自重、自生體積變形、干縮、徐變這些內(nèi)部荷載，其中溫度荷載往往是大體積混凝土施工期應力的主要影響因素．

五峰山長江大橋采用重力式錨碇，錨碇由錨體、錨碇基礎(chǔ)、內(nèi)襯、冒梁、壓重塊、鞍部、前錨室墻、側(cè)墻、蓋板附屬結(jié)構(gòu)等組成．錨體是承受預應力錨固系統(tǒng)傳遞主纜索股拉力的構(gòu)件，是大橋的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一．本文研究的錨碇最大尺寸(縱向)長達87.0 m，根據(jù)澆筑分層分塊計劃，錨碇基礎(chǔ)在平面上分兩塊澆筑，最大澆筑塊平面尺寸面積高達3 295.0 m2(近似于78.5 m×42.0 m的矩形)，錨體在平面上分四塊澆筑，最大澆筑塊平面尺寸為50.0 m×35.0 m．錨碇混凝土為C30，絕熱溫升終值較高．該錨碇分層、分塊多，施工期長，一年中的高溫季節(jié)和低溫季節(jié)均需經(jīng)歷．如果施工期開裂，則對施工安全和結(jié)構(gòu)整體性有非常不利的影響，如果運行期開裂，則會影響到大橋的運行安全．該錨碇尺寸及其澆筑塊尺寸在國內(nèi)比較罕見，溫控防裂難度很大．因此，需要進行細致的計算預測，并在施工前提出合理的防裂措施．

目前國內(nèi)外溫控防裂研究已經(jīng)取得很大進展，其研究的計算方法主要是從二維到三維的有限單元法[1-2]，本文運用考慮水化度[3-5]和埋置式冷卻水管模型[6-8]的三維非穩(wěn)定溫度場和應力場有限元的計算程序，對該錨碇的大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中的溫度場和應力場進行了仿真計算，并嘗試通過采取的一系列溫控防裂措施來確保該錨碇施工的順利進行和工程質(zhì)量，可為類似工程提供借鑒．

1 主要計算參數(shù)

1.1 氣溫資料

該大橋所在地區(qū)的多年平均氣溫15.1℃，最高月平均氣溫28.6℃(7月)，最低月平均氣溫2.3℃(1月)，多年平均風速3.0 m/s．

仿真計算中，將該錨碇所在地多年月平均氣溫擬合成余弦曲線，同時考慮±6.0℃的晝夜溫差，公式如下

(1)

式中，Ta為氣溫(℃)；t為時間(d)．

1.2 地基主要熱力學參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料，錨碇的覆蓋層主要為粉質(zhì)粘土，基礎(chǔ)底部主要為弱風化凝灰質(zhì)砂巖，錨體復合體下方是C30混凝土樁和粉質(zhì)粘土組成的復合地基，地基主要熱力學參數(shù)見表1．

1.3 混凝土主要熱力學參數(shù)

錨碇主要用C30混凝土進行澆筑，其各項熱力學參數(shù)由室內(nèi)試驗獲得，主要熱力學參數(shù)見表2．

表2 混凝土熱力學參數(shù)

考慮水化度的絕熱溫升θC30(℃)：

θC30(te)=41.9×[1-e-0.92te0.79]

(2)

注：根據(jù)水化度的定義和混凝土的熱力學特性，對于同種混凝土而言，無論其養(yǎng)護溫度和齡期如何變化，只要具有相同的水化度，則其熱力學性能也應該相同，這和成熟度的概念正好一致．因此，水化度和成熟度之間存在一定的函數(shù)關(guān)系．

式中：t為時間(d)；τ為齡期(d)；te為相對于參考溫度的混凝土等效齡期成熟度(d)，其具體表達式如下：

(3)

式中，Tr為混凝土參考溫度(℃)，一般取20℃；T為時段Δt內(nèi)的混凝土平均溫度(℃)；Ea為混凝土活化能(J/mol)；R為氣體常數(shù)，R=8.314 4 J/(mol·K)；T為混凝土的絕對溫度(K)．

1.4 其它熱學參數(shù)

混凝土在空氣中的表面放熱系數(shù)的數(shù)值與風速有關(guān)，由工程資料知該施工地區(qū)歷年平均風速v=3.0 m/s，因混凝土拆模后表面為光滑，按光滑表面取值，即

有風時：β=21.8+13.53v=21.8+13.53×3.0=61.85 kJ/(m2·h·℃)

地基表面按粗糙表面考慮，即

有風時：β=23.9+14.5v=23.9+14.5×3.0=67.4 kJ/(m2·h·℃)

各計算工況中的表面放熱系數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)表面的實際覆蓋情況而定．

2 仿真計算分析

2.1 計算模型

根據(jù)設(shè)計圖紙和施工分塊建立的錨碇有限元網(wǎng)格模型示意圖如圖1所示，節(jié)點總數(shù)146 496個，單元總數(shù)139 328個．坐標原點位于錨體基礎(chǔ)的底面正下方中心處，Z軸豎直向上，X軸指向錨碇逆方向，Y軸按右手螺旋法則指向錨碇右邊．

圖1 有限元網(wǎng)格模型示意圖

溫度場仿真計算中，地基的四周和底面為絕熱邊界，上表面為散熱邊界．施工臨時縫面、結(jié)構(gòu)永久縫面當未被覆蓋時為散熱邊界，覆蓋后為絕熱邊界．其他表面均為散熱邊界．

應力場仿真計算中，地基的四周和底面施加法向約束，上表面為自由邊界．結(jié)構(gòu)永久縫面為自由邊界，其他表面為自由邊界．

2.2 特征剖面和特征點

錨碇特征剖面和特征點示意圖如圖2所示，為了更好地顯示結(jié)構(gòu)，圖中未顯示地基．為了顯示典型關(guān)鍵位置的溫度和應力隨齡期的發(fā)展歷時過程，在這些剖面位置附近取若干特征點．選取錨碇中拉應力較大處的特征點1、2作為典型特征點進行分析，其中特征點1是錨體基礎(chǔ)的內(nèi)部點，特征點2是錨體靠近表層的內(nèi)部點．

圖2 特征剖面和特征點示意圖

2.3 分層分塊澆筑措施

按照設(shè)計圖紙要求．將錨碇在平面上分層4大塊進行施工，通過設(shè)置后澆帶再將各塊連成一整體，一定高程范圍內(nèi)的錨體基礎(chǔ)在平面上分兩塊澆筑，澆筑層共41層，平均澆筑厚度2.5 m，間歇期為7 d左右．

2.4 埋置式水管布置

在錨碇基礎(chǔ)和錨體混凝土中布置冷卻水管，水管直徑3.2 cm．錨碇基礎(chǔ)、錨體、壓重塊混凝土中初步的冷卻水管布置密度為1.0 m×1.0 m(水平間距×豎直間距)，具體冷卻水管的通水流量、通水時間、通水溫度見計算工況，錨碇基礎(chǔ)和錨體水管布置圖如圖3所示．

圖3 埋置式水管布置示意圖

2.5 主要計算工況和結(jié)果分析

工況1：混凝土自然入倉，無水管冷卻，混凝土自然入倉，無任何溫控防裂措施．

工況2：在工況1的基礎(chǔ)上采取溫控措施，采用水管冷卻措施，通水流量72 m3/d，進口水溫控制在15℃，通水時長30 d．在混凝土內(nèi)摻入膨脹劑，將混凝土的自生體積收縮變形終值由原來的120個微應變減小到24個微應變，并加入緩凝劑減慢溫升速率，確保水管冷卻和表面散熱能夠及時、充分地發(fā)揮作用．

工況2-1：在工況2的基礎(chǔ)上采用低熱水泥．

工況3：在工況2的基礎(chǔ)上控制澆筑溫度為20℃．

工況3-1：在工況3的基礎(chǔ)上采用低熱水泥．

工況4：錨體表面溫度應力超標嚴重，在工況3-1基礎(chǔ)上，錨體表面采用5 cm厚保溫材料進行施工期長期保溫．

工況5：在工況4的基礎(chǔ)上，放松混凝土內(nèi)襯與錨碇基礎(chǔ)之間的約束．

工況6：在工況5的基礎(chǔ)上，進一步增加錨碇基礎(chǔ)的膨脹劑摻量，將其自生體積收縮變形終值從24個微應變降至0個微應變．由于基巖約束較強，而錨碇基礎(chǔ)澆筑塊太長，且在高溫季節(jié)澆筑，拉應力仍偏大，需進一步降低溫度峰值．對尺寸較長的幾層錨碇基礎(chǔ)混凝土加密冷卻水管布置，加密到0.5 m×0.5 m．

工況1和工況6在x=24.0 m和y=22.0 m剖面溫度包絡(luò)圖和應力包絡(luò)圖如圖4～7所示．圖中未顯示地基、地連墻和內(nèi)襯混凝土．特征點1、2各個工況的溫度和第一主應力歷時曲線對比圖如圖8～9所示．

圖4 工況1剖面溫度包絡(luò)圖(℃)

圖5 工況1剖面應力包絡(luò)圖(MPa)

圖6 工況6剖面溫度包絡(luò)圖(℃)

圖7 工況6剖面應力包絡(luò)圖(MPa)

圖8 特征點1、2的早齡期溫度歷時曲線對比圖

圖9 特征點1、2的第一主應力歷時曲線對比圖

限于篇幅，取初始工況1和相對最優(yōu)工況6作為典型工況進行結(jié)果分析．

工況1：錨碇基礎(chǔ)在4月到7月澆筑，錨體在8月到第2年2月澆筑，高溫季節(jié)的澆筑溫度超過30.0℃，故錨碇基礎(chǔ)的上部和錨體的下部溫度峰值相對最高，最高溫度在60～70℃．錨體外表面與環(huán)境氣溫接觸，夏季澆筑的錨體內(nèi)外溫差很大，使得錨體表層的拉應力達到6.0 MPa以上．錨體基礎(chǔ)則由于基巖約束強，且部分澆筑塊長度偏大，最大長達50.1 m，使得最大拉應力超過了6.0 MPa．必須采用材料、溫控、結(jié)構(gòu)等綜合措施來減小施工期拉應力，避免混凝土開裂．

工況6：從圖9至圖10溫度和第一主應力歷時曲線對比圖可以看出，混凝土內(nèi)部溫度在早齡期由于水化熱溫升快速達到峰值，然后又快速下降，在溫降期間，拉應力增長幅度很大，往往在齡期5 d左右是拉應力較大時期．最優(yōu)工況6在多項防裂措施聯(lián)合作用下，特征點1、2溫度下降幅度10～25℃，最大拉應力下降幅度3.5～8.5 MPa，錨體基礎(chǔ)內(nèi)部、錨體表層和錨體內(nèi)部的混凝土最高溫度分別降為44.2℃、36.7℃、45.9℃，其對應的最大拉應力分別降至3.2 MPa，3.2 MPa和1.9 MPa，雖然防裂安全系數(shù)仍較小，但各區(qū)域的拉應力均已低于抗拉強度(3.3 MPa)．

3 結(jié)論與建議

根據(jù)已有的公開文獻[9-15]可以看出，本文研究的錨碇體積在國內(nèi)罕見，因此，雖然其溫度峰值并未超過公開文獻內(nèi)的錨碇溫度峰值，但拉應力明顯大于公開文獻內(nèi)的最大拉應力，主要原因與結(jié)構(gòu)尺寸、澆筑塊尺寸以及澆筑季節(jié)相關(guān)．為了控制該錨碇的施工期拉應力，本文從混凝土材料、溫控、結(jié)構(gòu)等方面嘗試了多種措施，最終將施工期應力降至混凝土抗拉強度范圍內(nèi)．具體措施如下，希望對國內(nèi)外類似工程有一定的參考價值．

1)水管冷卻：采用高導熱性水管進行冷卻，對于錨碇基礎(chǔ)強約束區(qū)和高溫期澆筑的混凝土，水管布置密度為0.5 m×0.5 m，其他部位的水管布置密度為1.0 m×1.0 m．采用15℃以下的水進行冷卻，通水30 d，溫度峰值前的流量為72 m3/d，此后流量逐漸降低，控制混凝土溫降速率不超過2.0℃/d．輸水管道要采用保溫材料包裹，防止輸水過程中由于日照等原因使水溫上升過高．冷卻水不能循環(huán)使用，水管出口的高溫水應排走．為避免水流換向的麻煩，單根水管的長度控制在150 m以內(nèi)．

2)表面保溫養(yǎng)護：錨碇外表面采用內(nèi)嵌5 cm厚聚乙烯保溫板的鋼模板，拆模后表面覆蓋5 cm厚的保溫板，保溫持續(xù)到第二年4月底拆除．倉面在不同季節(jié)也需進行保溫和保濕．

3)材料措施：采用低熱水泥；混凝土內(nèi)摻入緩凝劑，減緩水化放熱速度，使水管冷卻能及時充分地發(fā)揮作用；混凝土內(nèi)摻入膨脹劑，合理減小各區(qū)域的自生體積收縮變形．

4)澆筑溫度控制：盡量將澆筑溫度控制在在20.0℃以內(nèi)，可以通過加高料堆、底部取料、骨料預冷、混凝土加冰拌合等綜合措施對澆筑溫度進行控制．

5)減小結(jié)構(gòu)約束：在錨體基礎(chǔ)與其相鄰的混凝土內(nèi)襯之間增加一層鋼收口網(wǎng)，并改變鋼筋的方向，減小混凝土內(nèi)襯及地連墻對錨體基礎(chǔ)混凝土的約束．

6)建議溫控指標：最高溫度：錨體基礎(chǔ)強約束區(qū)低于35.0℃，錨體基礎(chǔ)其他區(qū)域混凝土低于40.0℃，錨體和壓重塊混凝土低于45.0℃．內(nèi)外溫差：倉面低于10.0℃，錨體側(cè)面低于6.0℃．此處所提的內(nèi)外溫差為表面5 cm深度處與100 cm深度處兩個測點之間的溫度差．

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