大跨徑鋼管混凝土拱橋大體積混凝土拱座施工溫度分布與控制

鄧耀春 孫華

摘要：文章針對鋼管混凝土特大橋平南三橋南岸拱座大體積混凝土施工過程，采用有限元軟件Midas Civil仿真模擬分析拱座溫度場，得到整體澆筑和分層澆筑下的拱腳處溫度場的分布規(guī)律，并提出防止施工過程中由于溫度變化及水化熱等因素引起裂縫的控制措施。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋;有限元軟件;拱座;大體積混凝土;水化熱分析;溫度控制

中圖分類號(hào)：U443.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.023

文章編號(hào)：1673-4874（2019）07-0072-04

0引言

鋼管混凝土拱橋以其獨(dú)特的優(yōu)勢和優(yōu)美的外觀在我國改革開放后開始得到大量應(yīng)用，鋼拱橋數(shù)目從1993年開始大幅增長，1998年以后已超過混凝土拱橋的修建數(shù)量，以2015年1月為截止時(shí)間，共收集到鋼管混凝土拱橋（跨徑50m以上）橋例413座，其中最大跨徑為四川合江長江一橋，為518m的中承式鋼管混凝土拱橋。鋼管混凝土拱橋具有抗壓強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)、延性好、疲勞壽命長等優(yōu)良的力學(xué)性能;同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)自重輕、架設(shè)方便、施工快速等優(yōu)越的施工性能，因此在工程中得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。

在橋梁建設(shè)中大體積混凝土構(gòu)筑物較為常見，如橋墩、蓋梁、承臺(tái)、拱座等都是常見的大體積混凝土構(gòu)筑物，同時(shí)大體積混凝土也是結(jié)構(gòu)物的主要受力構(gòu)件。大體積混凝土施工質(zhì)量的好壞將影響到橋梁結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命。鋼管混凝土拱橋的拱座為典型的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，因此有必要對大跨徑鋼管混凝土拱橋拱座進(jìn)行水化熱分析。

目前，已有較多學(xué)者對大體積混凝土水化熱進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。朱伯芳院士基于大量的實(shí)際工程，分析認(rèn)為大體積混凝土開裂主要受混凝土原材料質(zhì)量、混凝土的配合比、基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差及后期養(yǎng)護(hù)的影響，所提出的大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制方法得到了國內(nèi)外廣泛好評。沈炯偉等以某鋼管混凝土拱橋?yàn)楸尘?，對拱座溫度場和溫度?yīng)力進(jìn)行了分析，得到了不同施工方法下的拱腳溫度場分布規(guī)律及對應(yīng)的溫度應(yīng)力。余沛等以白浪河大橋群樁承臺(tái)為例，考慮布置冷卻管，采用有限元軟件建模，對施工期間承臺(tái)板大體積混凝土水化熱溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合大體積混凝土施工方法，有效地控制了承臺(tái)裂縫，為橋梁大體積混凝土施工提供了參考。李之達(dá)等對武漢府河大橋22#承臺(tái)水化熱進(jìn)行了分析，對比實(shí)際監(jiān)測結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果，吻合度較好。

1工程概況

平南三橋位于廣西平南縣內(nèi)，為荔浦至玉林高速公路平南北互通連接線上跨潯江的一座特大型橋梁。主橋采用主跨575m（計(jì)算跨徑560m）中承式鋼管混凝土拱橋，引橋采用連續(xù)箱梁。主拱采用提籃式鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)，主跨拱肋為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)。主控跨徑575m（計(jì)算跨徑560m），計(jì)算矢跨比1/4.0，拱軸系數(shù)為1.50。拱頂截面徑向高為8.5m，拱腳截面徑向高為17.0m，肋寬為4.2m。每肋為上、下各兩根Ф400mm鋼管混凝土弦管，管內(nèi)混凝土采用C70澆筑。主拱肋通過橫聯(lián)鋼管Ф850mm和豎向兩根腹桿Ф700mm管連接主管而構(gòu)成矩形截面，吊桿間距為15.5m。全橋具體布置如圖1所示。

南岸拱座設(shè)計(jì)為分離式，分為左、右2個(gè)，橫向凈間距為20.1m。拱座基礎(chǔ)底板采用c30防水混凝土澆筑，拱座主體采用C40防水混凝土澆筑，封拱腳段采用C50防水混凝土澆筑。左右兩幅拱座采用系梁連接成整體，系梁頂標(biāo)高為+22m，底標(biāo)高為+17m，尺寸為15.1m×5m×5m，屬于典型的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。在實(shí)際修筑南岸拱座時(shí)，設(shè)計(jì)單位做了設(shè)計(jì)變更，變更后拱座構(gòu)造見圖2。

原設(shè)計(jì)中南岸拱座采用分層澆筑施工工藝，混凝土的水化熱及養(yǎng)護(hù)措施均采用“內(nèi)排外?！?，即內(nèi)部利用冷卻管循環(huán)水控制大體積混凝土內(nèi)部升溫;外部利用蓄水養(yǎng)護(hù)措施對混凝土表面進(jìn)行保溫保濕。后設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了變更，變更后混凝土養(yǎng)護(hù)方式變更為覆蓋養(yǎng)護(hù)，即取消原設(shè)計(jì)中混凝土內(nèi)部冷卻水管與表面蓄水養(yǎng)護(hù)措施，變?yōu)榛炷帘砻娓采w聚氯乙烯薄膜，頂面加蓋棉被。

2拱座分層澆筑

變更后的拱座高17.527m，總混凝土用量約為3673.7m，屬于典型大體積混凝土結(jié)構(gòu)?？紤]到水化熱的影響，在不設(shè)置內(nèi)部冷卻水管的條件下，宜分層進(jìn)行澆筑。拱座從上到下不考慮C50后澆封拱腳，混凝土分為6層進(jìn)行澆筑，每層層高≤2.5m。具體分層及每層用量見圖3，澆筑模板采用DP180式懸臂模板，模板高度為2.65m。

根據(jù)施工現(xiàn)場及功能要求，經(jīng)反復(fù)分析計(jì)算后得到了C40拱座混凝土配合比（見表1）。

3拱座溫度場模擬

3.1拱座有限元模型

3.1.1整體拱座模型

本文采用Midas Civil軟件模擬拱座澆筑溫度場，根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496-2009）以及《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》一書，結(jié)合現(xiàn)場施工材料計(jì)算得到模型中的相關(guān)參數(shù)?？紤]到單個(gè)拱座的對稱性，取單個(gè)拱座的1/2進(jìn)行分析，模型單元為實(shí)體單元，變更后的拱座共有21572個(gè)節(jié)點(diǎn)，16854個(gè)單元，如圖4所示。

3.1.2分層澆筑模型

拱座包括后澆封拱腳層共分為七層，其中第二層的混凝土量最大，為779m，故產(chǎn)生的水化熱也是最大的，因此以澆筑拱座第二層為例分析產(chǎn)生的水化熱，同樣根據(jù)對稱性取1/2進(jìn)行建模，共8975個(gè)節(jié)點(diǎn)，6728個(gè)實(shí)體單元（見圖5）。

3.2測點(diǎn)布置

模型關(guān)于x軸對稱，取1/2模型沿x方向、y方向以及x方向布置溫度測點(diǎn)。溫度場測點(diǎn)布置如圖6所示。

3.3溫度場分析

拱座整體模型溫度場在3d、7d、14d齡期下的云圖見圖7，在特定單元的溫度時(shí)程曲線見圖8。

由圖7和圖8可知：拱座內(nèi)部溫峰出現(xiàn)在澆筑后50～100h，最高溫度為54.96℃，達(dá)到峰值后開始降溫。從圖中可以明顯看出：在拱座核心位置處的溫控點(diǎn)達(dá)到峰值的時(shí)間較非核心區(qū)域的點(diǎn)慢，且達(dá)到峰值后降溫速度慢，越靠近拱座核心溫度越高降溫越慢。中心區(qū)域溫度與靠近表面處溫度峰值差值較大，而且靠近表面處溫度峰值持續(xù)時(shí)間少，降溫時(shí)間快，并在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)。拱座最大降溫速率為1.2℃/d，降溫速率<2℃/d。

第二層混凝土3d、7d、14d溫度場云圖見圖9，特定單元溫度時(shí)程曲線見后頁圖10。

從圖9、圖10可知：溫峰出現(xiàn)的時(shí)間大致在70～100h之間，最高溫度為50℃左右，出現(xiàn)在第二層混凝土中心位置附近。達(dá)到溫度峰值后開始降溫，混凝土內(nèi)部中心及靠近表面處溫峰持續(xù)時(shí)間均不長，中心部位的溫峰大于靠近表面處的溫峰，溫峰差值達(dá)10℃?；炷两禍卦谳^短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最大降溫速率為1.7℃/d，降溫速率<2℃/d。

由溫度場分析可知整體澆筑和分層澆筑的差異。拱座整體澆筑時(shí)最大的溫度可達(dá)54.96℃，而分層澆筑時(shí)第二層混凝土（澆筑量最大）最大溫度為50.1℃，相差4.8℃，而且分層澆筑時(shí)溫峰持續(xù)時(shí)間短，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)較快。

4結(jié)語

綜合上述分析可知，在整體澆筑大體積混凝土結(jié)構(gòu)物時(shí)，混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的溫度使內(nèi)部溫度逐漸升高，并在一定齡期內(nèi)達(dá)到溫峰，在此之后溫度下降。由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體，內(nèi)部散熱緩慢，而外部與空氣接觸散熱快，使得內(nèi)外產(chǎn)生溫差，從而使混凝土表面產(chǎn)生溫度應(yīng)力，在超過混凝土抗拉強(qiáng)度后會(huì)導(dǎo)致開裂。因此有必要在大體積混凝土澆筑時(shí)采取相關(guān)施工措施保證施工質(zhì)量，建議優(yōu)化措施如下：

（1）優(yōu)化混凝土配合比，選擇優(yōu)良的混凝土外加劑，控制混凝土中水泥的用量，選擇水化熱較低的水泥，這是降低混凝土內(nèi)部水化熱最直接、有效的方式。

（2）宜分層澆筑。為減少大體積混凝土構(gòu)筑物水化熱而引起的收縮徐變裂縫，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件和設(shè)計(jì)要求對拱座混凝土進(jìn)行分層澆筑，達(dá)到減小混凝土內(nèi)部核心區(qū)域溫度的目的。

（3）控制混凝土入模溫度?，F(xiàn)場澆筑時(shí)，應(yīng)盡量選擇較為適宜的天氣溫度進(jìn)行大體積混凝土澆筑。施工時(shí)合理調(diào)度，保證現(xiàn)場供需平衡，縮短混凝土的澆筑時(shí)間。

（4）混凝土的水化熱及養(yǎng)護(hù)措施均采用“內(nèi)排外?！钡姆绞?，即內(nèi)部利用冷卻管循環(huán)水控制大體積混凝土內(nèi)部升溫;外部采用蓄水養(yǎng)護(hù)措施對混凝土表面進(jìn)行保溫保濕或者覆蓋養(yǎng)護(hù)，在混凝土表面覆蓋聚氯乙烯薄膜加棉被。