重力式錨碇底板超大倉面不均勻分層施工技術(shù)

周樂木， 殷 源， 李偉業(yè)， 謝 超

(湖北省路橋集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430056)

隨著我國(guó)各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，建筑規(guī)模不斷擴(kuò)大。混凝土作為一種性能穩(wěn)定、受力性能較好的材料，目前被廣泛應(yīng)用于我國(guó)橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施中。重力式錨碇作為懸索橋主要受力構(gòu)件，具有施工質(zhì)量和技術(shù)要求高、單方混凝土用量大、連續(xù)性整體澆筑高等特點(diǎn)。同時(shí)，由于重力式錨碇尺寸較大，在施工過程中溫度控制、分層施工工藝等因素直接影響著其后期使用過程中的工作性能。因此，針對(duì)重力式錨碇大體積混凝土施工過程中溫度應(yīng)力分析、溫度場(chǎng)控制，提出有效的施工工藝是目前工程界重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)大體積混凝土施工過程中溫度場(chǎng)分布及溫度應(yīng)力分析進(jìn)行了大量的理論及試驗(yàn)研究。美國(guó)的威爾遜教授[1]最早利用有限元時(shí)間過程分析法來分析混凝土溫度場(chǎng)；日本的專家學(xué)者[2,3]不僅考慮了混凝土徐變應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算，而且對(duì)溫度應(yīng)力場(chǎng)也進(jìn)行了深入研究；國(guó)內(nèi)方面，劉寧等[4]綜合考慮各種隨機(jī)因素對(duì)三維大體積混凝土結(jié)構(gòu)隨機(jī)溫度場(chǎng)的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，提出了基于隨機(jī)場(chǎng)局部平均的溫度場(chǎng)隨機(jī)變分原理和隨機(jī)有限元列式，并首次視復(fù)頻響應(yīng)函數(shù)為隨機(jī)函數(shù)，給出了復(fù)頻響應(yīng)函數(shù)-隨機(jī)有限元法，有效地克服了譜密度法求解隨機(jī)溫度場(chǎng)時(shí)不能考慮材料物理參數(shù)隨機(jī)性的局限性。針對(duì)采用統(tǒng)一的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算不經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，朱伯芳[5]提出了一種求解不穩(wěn)定溫度場(chǎng)的分區(qū)異步長(zhǎng)解法。即在溫度變化劇烈的區(qū)域采用較小的時(shí)間步長(zhǎng)，而在溫度變化速率較小的區(qū)域采用較大的時(shí)間步長(zhǎng)，從而可大大提高計(jì)算效率。馬保國(guó)等[6,7]研究微礦粉在大體積混凝土中水化熱、抗裂分析以及自催化效應(yīng)。研究表明，通過原材料的選擇、施工工藝的改進(jìn)等措施，能夠降低大體積混凝土溫度峰值。劉沐宇等[8]在大體積混凝土施工過程中進(jìn)行了實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了大體積混凝土溫度控制的信息化施工，為大體積混凝土保溫保濕養(yǎng)護(hù)提供了相關(guān)科學(xué)依據(jù)。張湧等[9]針對(duì)橋梁大體積高強(qiáng)度混凝土施工特點(diǎn)，從配合比設(shè)計(jì)、材料選擇、降溫及保濕等方面分析了大體積混凝土的溫度特性，指出水泥在硬化過程中釋放大量的水化熱，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度是導(dǎo)致裂縫的主要原因。同時(shí)，結(jié)合實(shí)測(cè)大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，分析了造成大體積混凝土開裂的主要因素。王強(qiáng)等[10]針對(duì)高強(qiáng)混凝土中總膠凝材料用量較多導(dǎo)致水化熱劇烈，從而產(chǎn)生裂縫的問題，依據(jù)水化熱試驗(yàn)確定大體積高強(qiáng)度混凝土水化熱的計(jì)算參數(shù)，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)大體積高強(qiáng)度混凝土施工過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析。譚廣柱等[11]通過對(duì)大體積混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，建立了相關(guān)數(shù)值計(jì)算模型，根據(jù)大體積混凝土的現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)性能非線性增長(zhǎng)的特性，分析了養(yǎng)護(hù)過程中大體積混凝土應(yīng)力場(chǎng)的分布、變化過程。孫維剛等[12]以普立特大橋重力式錨碇散索鞍支墩基礎(chǔ)第一層混凝土澆筑為例，對(duì)其水化熱溫度進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，利用混凝土溫度有限元理論，結(jié)合散索鞍支墩基礎(chǔ)所處的環(huán)境狀況，建立了考慮冷卻管的三維有限元模型，對(duì)混凝土澆筑過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。趙蒙屏等[13]將混凝土徐變模型和本構(gòu)方程引入ANSYS，在USERMAT.F中通過高斯積分直接生成溫度徐變荷載，實(shí)現(xiàn)混凝土溫度徐變應(yīng)力分析，克服了傳統(tǒng)通過調(diào)用溫度徐變荷載文件而計(jì)算效率較低的缺陷。夏雄等[14]通過分析大體積混凝土中心溫度的經(jīng)時(shí)變化、表面溫度的經(jīng)時(shí)變化，總結(jié)出大體積混凝土中心最高溫度、表面溫度隨時(shí)間變化的3個(gè)階段并對(duì)其變化曲線進(jìn)行描述。

既往研究表明，大體積混凝土溫度控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要多方位、多角度綜合考慮。因此，本文依托棋盤洲長(zhǎng)江公路大橋重力式南錨碇底板超大倉面施工為背景，采用有限元模型模擬補(bǔ)償收縮混凝土條件下大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力分布情況。依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果提出棋盤洲長(zhǎng)江公路大橋重力式南錨碇底板超大倉面不均勻分層施工技術(shù)，為防止錨碇底板溫度裂縫的產(chǎn)生提供有力保證。

1 工程背景

棋盤洲長(zhǎng)江公路大橋重力式南錨碇基礎(chǔ)采用內(nèi)徑為61 m、壁厚1.5 m的圓形地下連續(xù)墻加環(huán)形鋼筋混凝土內(nèi)襯結(jié)構(gòu)(見圖1)。基坑深度52 m，底板平面形狀為半徑28.0 m的圓形板狀大體積混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚度6 m(見圖2)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，抗?jié)B等級(jí)P12，混凝土方量約為15310.6 m3。南錨碇基礎(chǔ)抵抗長(zhǎng)江水位最大水頭差為49.8 m，因此進(jìn)行南錨碇底板施工過程中溫度控制，提出有效的施工工藝，嚴(yán)格控制底板裂縫的產(chǎn)生，具有重要的工程意義。

圖1 地下連續(xù)墻施工現(xiàn)場(chǎng)

圖2 底板示意

2 底板混凝土材料及相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)

底板混凝土為有側(cè)限大倉面大體積混凝土，底板受到側(cè)面地下連續(xù)墻和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的約束，其底部受到調(diào)平層混凝土的約束產(chǎn)生基礎(chǔ)約束應(yīng)力。因此，為補(bǔ)償因混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力、提高混凝土的抗裂性能，底板混凝土將采用C30P12補(bǔ)償收縮混凝土。經(jīng)過多輪配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，在保證混凝土絕熱溫升較低、膨脹率較小、強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，最終確定混凝土配合比(見表1)?；炷敛牧狭W(xué)性能指標(biāo)如圖3，4所示。由圖3，4可知，混凝土強(qiáng)度性能指標(biāo)滿足要求。同時(shí)，根據(jù)GJ/T 178-2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[15]，補(bǔ)償收縮混凝土用于補(bǔ)償因混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力、提高混凝土的抗裂性，要求混凝土在水中14 d的限制膨脹率≥0.015%，一般要求在0.015%～0.04%之間，約相當(dāng)于產(chǎn)生0.2～0.7 MPa的自應(yīng)力。實(shí)測(cè)該混凝土在水中3，7，14 d的限制膨脹率分別為0.014%，0.0162%，0.0174%，表明該補(bǔ)償收縮混凝土配合比的限制膨脹率符合標(biāo)準(zhǔn)要求。混凝土材料的其它物理力學(xué)、熱力學(xué)性能相關(guān)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 底板C30混凝土配合比

圖3 抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值

圖4 劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值

物理熱學(xué)特性底板C30混凝土內(nèi)襯C30混凝土墊層C25混凝土彈性模量/×104 MPa3.03.02.828 d抗壓強(qiáng)度/MPa41.2——比熱/kJ·(kg·℃) -10.930.931.00導(dǎo)熱系數(shù)/kJ·(mhr·℃) -19.309.3010.00最終絕熱升溫/℃40.00——熱膨脹系數(shù)/×10-6℃-110.0010.0010.00開始收縮混凝土材齡/d3——

3 底板分層施工有限元仿真計(jì)算

底板混凝土施工時(shí)間段為2018年2月～3月，處于低溫期施工，混凝土外表面保溫及內(nèi)外溫差控制難度大；底板混凝土施工跨越春節(jié)前后，施工間歇期長(zhǎng)達(dá)30 d。因此，混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力控制、抗裂安全系數(shù)(劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值與對(duì)應(yīng)齡期溫度應(yīng)力計(jì)算最大值之比)的保證至關(guān)重要。JTS 202-1-2010《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》[16]統(tǒng)計(jì)了20余個(gè)大體積混凝土溫控工程的開裂情況，認(rèn)為混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與相應(yīng)齡期計(jì)算的溫度應(yīng)力值之比不小于1.4時(shí)，開裂概率小于5%；劈裂抗拉強(qiáng)度與相應(yīng)齡期計(jì)算的溫度應(yīng)力值之比不小于1.3時(shí)，開裂概率小于15%，據(jù)此規(guī)定了大體積混凝土的溫度應(yīng)力抗裂安全系數(shù)應(yīng)不小于1.4。因此底板大體積混凝土溫度應(yīng)力抗裂安全系數(shù)取值為不小于1.4?；谝陨媳尘?，本節(jié)將進(jìn)行底板水平不分塊，豎直方向按照：3.0+3.0，2.0+2.0+2.0，2.0+1.5+2.5 m三種方式澆筑方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用Midas有限元軟件，根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，取底板混凝土1/4進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算模型如圖5所示?；炷廖锢砹W(xué)、熱力學(xué)性能相關(guān)參數(shù)采用表2中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。計(jì)算工況如表3所示。底板大體積混凝土內(nèi)部最高混凝土溫度包絡(luò)圖如圖6所示。底板溫度應(yīng)力及安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

表3 底板混凝土分層施工工況

續(xù)表3

圖6 底板大體積混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖/℃

圖7 底板大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力及抗裂安全系數(shù)

由圖7可知，當(dāng)?shù)装宀捎霉r一(3+3 m)澆筑方案時(shí)，即使?jié)仓g隔期控制在7 d左右，第二層早期抗裂安全系數(shù)仍無法滿足≥1.4的控制標(biāo)準(zhǔn)。工況二～工況五采用相同豎向分層方案(2+1.5+2.5 m)，由工況二～工況五的計(jì)算結(jié)果可知，工況四底板第三層最小抗裂安全系數(shù)為1.37，抗裂安全系數(shù)偏低；其他工況底板各層最小抗裂安全系數(shù)為1.43，符合抗裂安全系數(shù)≥1.4的規(guī)定。對(duì)比工況二、三、四的第二澆筑層混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨澆筑間隔期由7 d延長(zhǎng)至35 d，溫度應(yīng)力有所增加，抗裂安全系數(shù)相應(yīng)降低。當(dāng)?shù)装宀捎?+1.5+2.5 m澆筑方案時(shí)，澆筑間隔期控制在21 d以內(nèi)，均可滿足抗裂安全系數(shù)≥1.4的控制標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)澆筑間隔期≥35 d時(shí)，第三層早期抗裂安全性不足，需加密該澆筑層冷卻水管至100 cm×75 cm(豎向加密)，以進(jìn)一步控制其溫度發(fā)展，降低其開裂敏感性(見工況五)。在工況六設(shè)定條件下底板各層最小抗裂安全系數(shù)為1.44，與工況四、工況五的第二澆筑層混凝土厚1.5 m相比，工況六的第二澆筑層混凝土厚度增加至2 m后，內(nèi)部溫度和內(nèi)表溫差增大，第二澆筑層溫度應(yīng)力有所增大，抗裂安全系數(shù)下降，但符合最小抗裂安全系數(shù)≥1.4的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)要求。然而工況六需要滿足澆筑間隔期控制在 35 d以內(nèi)的要求。根據(jù)底板大體積混凝土六種工況(邊界條件)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果，底板混凝土采用分三層澆筑方案，具體分層高度應(yīng)根據(jù)第二澆筑層與第一澆筑層的間隔期的長(zhǎng)短。當(dāng)?shù)诙訚仓g隔期>35 d時(shí)，采用工況五(2+1.5+2.5 m)的方案，此時(shí)第二層混凝土抗裂系數(shù)更高，開裂風(fēng)險(xiǎn)較小，但第三層混凝土的冷卻水管需豎向加密；當(dāng)?shù)诙訚仓g隔期≤35 d時(shí)，采用工況六(2+2+2 m)的方案。由于第一層與第二層底板施工之間跨越了春節(jié)，原材料供應(yīng)市場(chǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，勞務(wù)工人大多為外地工人等內(nèi)部與外部原因，最終決定采用工況五(2+1.5+2.5 m)的底板分層施工方案。

4 底板分層施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部溫度實(shí)測(cè)結(jié)果分析

底板冷卻水管采用蛇形布置方式，1/4對(duì)稱，上下層交錯(cuò)。厚度為2.0 m的澆筑層布設(shè)2層冷卻水管，豎向布置為50+100+50 cm；厚度為1.5 m的澆筑層布設(shè)1層冷卻水管，豎向布置為75+75 cm；厚度為2.5 m的澆筑層布設(shè)3層冷卻水管，豎向布置為50+75+75+50 cm。水管水平管間距為100 cm，距離混凝土側(cè)面為50～100 cm；單層16套水管(4套×4)；每套水管設(shè)置一個(gè)進(jìn)出水口，管長(zhǎng)小于200 m。為實(shí)施監(jiān)測(cè)底板混凝土內(nèi)部溫度分布情況，采用天津華銀儀器有限公司生產(chǎn)的 HNTT-D 型溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。該儀器可以進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度采集和定時(shí)溫度的采集，把所有采集到的溫度信息保存到Excel 數(shù)據(jù)庫內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤、分析及處理，并能及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的圖表生成和各采集點(diǎn)溫度曲線的分析和比較。溫度傳感器布置如圖8所示。為保護(hù)測(cè)溫導(dǎo)線和測(cè)點(diǎn)不受混凝土振搗的影響，現(xiàn)場(chǎng)焊接∠36以上的等邊角鋼進(jìn)行保護(hù)，避免混凝土直接砸落在測(cè)溫線上。

圖8 測(cè)溫元件埋設(shè)示意

測(cè)溫元件的平面布置如圖9所示，底板溫度實(shí)施監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示。將圖10中主要參數(shù)提取并匯總于表4。根據(jù)JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[17]規(guī)定：大體積混凝土熱期施工時(shí)，入模溫度不宜高于28 ℃；冬季施工時(shí)，入模溫度應(yīng)不低于5 ℃；大體積混凝土內(nèi)部最高溫度不應(yīng)大于75 ℃；大體積混凝土內(nèi)表溫差應(yīng)控制在25 ℃以內(nèi)。由表4可以看出，通過本文第3節(jié)有限元分析提出的底板超大倉面不均勻分層施工技術(shù)方案完全滿足規(guī)范對(duì)大體積混凝土施工安全性的要求。從而驗(yàn)證了本文所提出的底板大倉面不均勻分層施工技術(shù)的有效性。

圖9 測(cè)溫元件平面布置

圖10 底板溫度實(shí)施監(jiān)測(cè)結(jié)果

澆筑層層厚/m入模溫度/℃底板內(nèi)部最高溫度/℃底板內(nèi)外最高溫差/℃達(dá)到最高溫度時(shí)間/h第一層21148.218.296～115第二層1.51539.317.990～120第三層2.52153.416.980～110

5 結(jié) 論

本文以棋盤洲長(zhǎng)江公路大橋重力式南錨碇底板超大倉面施工為背景，采用有限元模型模擬采用補(bǔ)償收縮混凝土條件下大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力分布情況。主要結(jié)論如下：

(1)依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果提出棋盤洲長(zhǎng)江公路大橋重力式南錨碇底板超大倉面不均勻分層施工技術(shù)，為防止錨碇底板溫度裂縫的產(chǎn)生提供有力的保證；

(2)施工中采用2+1.5+2.5 m的底板分層施工技術(shù)和較低的混凝土入模溫度，有效控制了溫升，延長(zhǎng)了混凝土溫度峰值的出現(xiàn)時(shí)間；

(3)依據(jù)本文所提出的底板超大倉面不均勻分層施工技術(shù)，有效控制了混凝土內(nèi)外溫差(<20 ℃)，減小了混凝土內(nèi)部溫度裂縫出現(xiàn)的概率。工程結(jié)果表明，底板沒有出現(xiàn)溫度裂縫，保證了工程質(zhì)量，并為后續(xù)工程的施工提供了有力保障。