寬幅PK混凝土箱梁溫控防裂技術(shù)研究

李福友

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧大連 116033)

1 引言

寬幅PK混凝土箱梁施工，裂縫控制是一個(gè)比較系統(tǒng)的綜合性問(wèn)題，受施工工藝、預(yù)應(yīng)力布置及張拉工藝、混凝土物理力學(xué)性能、施工地區(qū)自然條件、箱梁本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、支撐體系等多種因素制約[1]。

寬幅混凝土箱梁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工難度大。為提高結(jié)構(gòu)抗裂性，本文通過(guò)高性能混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)與早期抗裂性及長(zhǎng)期收縮變形性能及耐久性試驗(yàn)，對(duì)施工階段溫度控制措施進(jìn)行研究分析。

箱梁兩側(cè)風(fēng)嘴斜拉索錨固區(qū)、墩頂橫梁處均為大體積混凝土。大體積混凝土受內(nèi)部水化熱溫升過(guò)高、內(nèi)外溫差過(guò)大、混凝土降溫過(guò)快及內(nèi)外約束作用等多種因素影響，極易出現(xiàn)早期溫度裂縫。同時(shí)雙邊箱結(jié)構(gòu)橫向約束大，極易在孔洞及變截面部位出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致開(kāi)裂[2]。

2 工程概況

武穴長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)殡p塔六跨連續(xù)不對(duì)稱混合梁斜拉橋，主橋長(zhǎng)1 403 m，橋跨布置為(80＋290)m(北邊跨)＋808 m(主跨)＋(75＋75＋75)m(南邊跨)。南邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，長(zhǎng)236.4 m。

南邊跨混凝土箱梁采用分離式雙邊箱構(gòu)造，全寬38.5 m，邊箱寬度2×12.32 m，中空室寬度13.86 m，斜拉索錨固區(qū)寬度1.5 m，風(fēng)嘴寬度為1.0 m。箱梁標(biāo)準(zhǔn)梁段中心線處梁高3.822 m(見(jiàn)圖1)。主體結(jié)構(gòu)采用C55高性能混凝土。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)梁橫斷面(單位:cm)

采用分段分節(jié)(跳倉(cāng))支墩支架現(xiàn)澆工藝施工，自邊跨梁端開(kāi)始分成四個(gè)施工段、二個(gè)合龍段(濕接縫)，每個(gè)施工段分若干節(jié)澆筑。箱梁各施工節(jié)段信息見(jiàn)圖2。

圖2 施工節(jié)段劃分(單位:mm)

3 配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

C55高性能混凝土具有高工作性、高泵送性、低坍損、高緩凝、高抗裂能力及高體積穩(wěn)定性、低收縮性，適宜強(qiáng)度發(fā)展，同時(shí)具備良好的耐久性。

(1)采用大摻量?jī)?yōu)質(zhì)礦粉和粉煤灰復(fù)摻方式代替水泥，降低水泥用量，降低水化熱，同時(shí)提高和易性及泵送性。

(2)在一定范圍內(nèi)減小水膠比，提高混凝土強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性，保證抗裂性能及耐久性[3]。

(3)合理優(yōu)化骨料堆積密度，尤其骨料級(jí)配組成，控制最大堆積密度和最小空隙率，減少膠凝材料漿體用量，并適當(dāng)降低砂率，增加碎石用量，以降低徐變對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響[4]。

(4)摻用高效緩凝減水劑推遲并削減水化熱溫峰，解決箱型結(jié)構(gòu)高性能混凝土需要緩凝時(shí)間長(zhǎng)而且早期強(qiáng)度要求較高之間的矛盾，并實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的長(zhǎng)期體積變形和收縮徐變的有效控制[5]。

配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 箱梁C55混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4 溫控設(shè)計(jì)及仿真分析

4.1 模型參數(shù)

(1)構(gòu)件尺寸:N19節(jié)段(J型梁)長(zhǎng)15 m，寬38.5 m，梁高3.82 m，頂板厚度0.35 m，底板厚度0.4 m，斜底板厚度0.35 m，腹板厚度0.55 cm，混凝土方量581 m3。

(2)約束條件:受支墩支架固結(jié)約束及內(nèi)部對(duì)稱約束。

(3)分層分塊:一次澆筑成型。

根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性選擇梁段1/4進(jìn)行建模計(jì)算，如圖3所示。

圖3 1/4梁段模型

4.2 邊界條件

分為兩種工況進(jìn)行仿真計(jì)算，澆筑邊界條件見(jiàn)表3。

表3 N19節(jié)段(J型)邊界條件

(1)對(duì)流邊界

中高溫期施工，梁體頂面覆蓋塑料薄膜＋土工布保濕養(yǎng)護(hù)，其等效散熱系數(shù)根據(jù)《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制(第2版)》(朱伯芳著，中國(guó)電力工業(yè)出版社，2012年)3.3節(jié)“邊界條件的近似處理”進(jìn)行計(jì)算[6]。計(jì)算取風(fēng)速為2 m/s，上表面等效散熱系數(shù)取為55 kJ/(m2·h·℃)；側(cè)面采用鋼模施工，其等效散熱系數(shù)取70 kJ/(m2·h·℃)，約4～5 d拆模，拆模后側(cè)面同樣采用塑料薄膜＋土工布覆蓋。

(2)環(huán)境溫度及入模溫度

橋址所在地5月份多年平均氣溫為17.5℃～26.1℃，仿真計(jì)算入模溫度取28℃。

(3)冷卻水

根據(jù)是否采用冷卻水降溫考慮兩種工況，工況一不采用冷卻水降溫，工況二風(fēng)嘴部位布設(shè)冷卻水管。

4.3 仿真計(jì)算結(jié)果

4.3.1 溫度計(jì)算結(jié)果

基于以上兩種工況，N19節(jié)段(J型梁)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。工況一、工況二混凝土內(nèi)部最高溫度及內(nèi)表溫差均滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)。

表4 N19節(jié)段(J型梁)混凝土溫度計(jì)算結(jié)果

工況一混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖見(jiàn)圖4。最高溫度出現(xiàn)在風(fēng)嘴部位，兩端頭溫度較低，溫度梯度較大，需加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)以降低內(nèi)表溫差。

圖4 混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖(單位:℃)

4.3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 N19節(jié)段(J型梁)混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

工況一混凝土齡期應(yīng)力場(chǎng)分布見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯瑧?yīng)力場(chǎng)發(fā)展規(guī)律為:(1)早期應(yīng)力集中于箱梁頂面與腹板、橫隔板交界部位，主要由內(nèi)表溫差引起；(2)后期應(yīng)力集中于風(fēng)嘴實(shí)心部位，由混凝土降溫和干縮引起，隨齡期增長(zhǎng)逐漸增大[7]。

圖5 工況一混凝土應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

4.3.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》(JTS 202-1-2010)統(tǒng)計(jì)20余個(gè)大體積混凝土溫控工程開(kāi)裂情況[8]，其抗裂安全系數(shù)和抗裂保證率關(guān)系曲線見(jiàn)圖6，確定本工程溫度應(yīng)力抗裂安全系數(shù)取值不小于1.4。

(1)工況一內(nèi)部最高溫度為71.9℃，工況二內(nèi)部最高溫度為65.0℃，冷卻水可以起到6℃左右的冷卻效果。

圖6 抗裂安全系數(shù)和抗裂保證率關(guān)系曲線

(2)工況一最小抗裂安全系數(shù)為1.41，工況二最小抗裂安全系數(shù)為1.61，采用冷卻水降溫可以提高15%左右的抗開(kāi)裂能力。

5 溫控標(biāo)準(zhǔn)制定

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，結(jié)合本工程實(shí)際情況，對(duì)箱梁混凝土施工制定的溫控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6。

表6 箱梁混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)

6 溫控防裂措施

6.1 混凝土入模溫度控制

骨料提前進(jìn)場(chǎng)并搭建空調(diào)房進(jìn)行存儲(chǔ)，盡量降低骨料溫度；膠材采用延長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間，并對(duì)罐體進(jìn)行遮陽(yáng)、噴水等措施。將水泥、礦粉溫度控制為≤60℃，粉煤灰溫度控制為≤40℃[9]。

6.2 冷卻水使用及控制

在兩側(cè)風(fēng)嘴實(shí)心段處布設(shè)冷卻水管，水平管間距為100 cm，距離混凝土側(cè)面不小于50 cm，豎向位于高度的中間部位；每套水管長(zhǎng)度不超過(guò)200 m?；炷镣ㄋ笠?jiàn)表7。

表7 箱梁混凝土通水要求

6.3 混凝土澆筑工藝控制

混凝土一次澆筑成型，在頂板開(kāi)設(shè)布料點(diǎn)，間距按3 m布置，底板、腹板、橫隔板澆筑時(shí)布置小料斗、串筒以防止混凝土離析?；炷练謱雍穸?0～40 cm，布料順序橫橋向?qū)ΨQ進(jìn)行，縱向整體推進(jìn)，見(jiàn)圖7。

圖7 澆筑示意

6.4 拆模時(shí)間控制

混凝土拆模時(shí)間按照齡期、強(qiáng)度、溫度等進(jìn)行控制:(1)澆筑完成3 d后，并且混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%以上；(2)拆模時(shí)間選擇一天中較高溫度的時(shí)段，拆模后立即進(jìn)行保溫保濕防風(fēng)養(yǎng)護(hù)。

6.5 養(yǎng)護(hù)控制

根據(jù)內(nèi)降外保原則，通過(guò)加強(qiáng)混凝土保溫保濕養(yǎng)護(hù)，降低混凝土內(nèi)表溫差，減少混凝土收縮引起的表面應(yīng)力(見(jiàn)表8)[10]。

表8 箱梁混凝土養(yǎng)護(hù)措施

7 現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

(1)測(cè)溫點(diǎn)布置

根據(jù)箱梁對(duì)稱性的特點(diǎn)，選取箱梁的1/4布置測(cè)點(diǎn)。根據(jù)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，充分考慮溫控指標(biāo)的測(cè)評(píng)。表面溫度測(cè)點(diǎn)布置在箱梁頂面以下5 cm，內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)布置在箱梁中心處[11]。測(cè)溫元件布置見(jiàn)圖8。

圖8 溫度測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

(2)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)分析

溫度監(jiān)測(cè)于2019年5月25日15:00開(kāi)始，截至6月2日10:00，混凝土溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表9，溫度特征值見(jiàn)圖9。

各層混凝土最高溫度為50.6℃ ～64.9℃，符合≤75℃的控制標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部溫度最高為距離混凝土底面1.84 m處；腹板混凝土各層最大內(nèi)表溫差為16.9℃ ～29.8℃，第二層超出≤25℃的控制標(biāo)準(zhǔn)；由于腹板為薄壁結(jié)構(gòu)，降溫速率為1.3℃/d～6.6℃/d，部分時(shí)段超出≤2.0℃/d控制標(biāo)準(zhǔn)。

表9 箱梁混凝土溫度特征值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域混凝土于覆蓋后9～10 h開(kāi)始升溫，升溫快速，于覆蓋后27～38 h達(dá)到溫峰；由于腹板為薄壁結(jié)構(gòu)，溫峰過(guò)后，自然降溫速率較快，溫差逐漸縮小。

圖9 混凝土溫度歷時(shí)曲線

8 結(jié)束語(yǔ)

(1)寬幅PK箱梁高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，既要保證高工作性、高抗裂性、低收縮徐變、高耐久性，又要重點(diǎn)控制低水化熱目標(biāo)。采用大摻量粉煤灰和礦粉替代水泥，降低水泥用量，控制水化熱，有效延緩混凝土內(nèi)部最高溫度，并通過(guò)高性能緩凝減水劑，延緩溫峰出現(xiàn)時(shí)間[12]。

(2)根據(jù)寬幅PK箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算分析，制定溫控標(biāo)準(zhǔn)及有效溫控措施，為后續(xù)類似箱梁施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

(3)通過(guò)對(duì)箱梁空腔部分薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力及溫度監(jiān)測(cè)分析，針對(duì)薄壁構(gòu)造應(yīng)力較集中極易出現(xiàn)有害裂縫部位，合理確定澆筑工藝、拆模時(shí)間、養(yǎng)護(hù)措施。