白帝城長江大橋承臺大體積混凝土溫控分析

文/袁秀輝

1 工程概況

白帝城長江大橋全長1170m，起止樁號K6+363～K7+533，橋型布置為2x65mT型剛構(gòu)+916m 鋼箱梁懸索橋+4x30m 先簡支后連續(xù)T 梁。白帝城長江大橋設(shè)置承臺的墩共計3 個，承臺共計6 個，主塔2#、3#墩塔座2 個，主塔2#墩底橫梁1 道。兩岸主塔2#、3#墩為群樁基礎(chǔ)，單塔共計16 根樁基，承臺尺寸21m×21m×7m，塔座底面尺寸為17m×16.1m、頂面尺寸為13.4m×12.5m、高3m。1#墩引橋為群樁基礎(chǔ)，單幅共計6 根樁基，承臺尺寸12.4m×9m×4m。承臺均設(shè)置20cm 厚的C20 混凝土墊層，塔座及承臺均為大體積混凝土，采用大體積混凝土施工工藝施工，并在施工中采取相應(yīng)的溫度監(jiān)控措施。

2 承臺大體積混凝土溫控措施

為防止承臺大體積混凝土出現(xiàn)施工裂縫，本工程采取分層澆筑、原材料控制、配合比設(shè)計、混凝土攪拌、冷卻水管安裝、保溫保濕養(yǎng)護等綜合性措施。

2.1 分層澆筑施工

按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650-2020）的相關(guān)規(guī)定，承臺等大體積混凝土必須分級分塊澆筑施工，主塔承臺平面尺寸為高21m×21m，高2.5m，1#墩承臺尺寸12.4m×9m、高4m，均是大體積混凝土施工。

其中,1#墩承臺和3#墩承臺是在地面現(xiàn)澆，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，1#、3#墩承臺均一次澆筑完成；2#墩由于設(shè)計為高樁承臺，采取分層澆注施工，分兩層進行澆筑，第一層澆筑3m，第二層澆筑剩余部分，塔座高3m，與承臺第二層混凝土一次性整體澆筑[1]。

2.2 優(yōu)化配合比設(shè)計

在水泥材料水化反應(yīng)初期，通過摻加粉煤灰能使水化熱釋放速度減緩，抑制大體積混凝土溫度快速變化的趨勢；也就是說，用粉煤灰代替部分水泥材料，既能節(jié)省工程造價，又能有效控制溫度峰值[2]。另外，主塔承臺和1#墩承臺、主塔塔座分別采用設(shè)計強度C30 和C40大體積混凝土，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行配合比設(shè)計，具體見表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計結(jié)果

2.3 嚴(yán)控混凝土澆筑入模溫度

混凝土經(jīng)拌和、運輸至模板內(nèi)的溫度即為混凝土澆筑入模溫度，按照相關(guān)規(guī)范，澆筑溫度控制在20℃左右。根據(jù)現(xiàn)場實際情況和施工計劃，承臺主要在夏季施工，根據(jù)工程所在地歷年天氣情況，施工期間溫度在30～40℃。因澆筑混凝土溫度較高，必須加強混凝土入模溫度控制，入模前可采取噴霧或灑水措施進行全面降溫，并從原材料控制和拌和用水溫度控制著手，在砂石料儲倉、攪拌設(shè)備設(shè)置頂蓋和側(cè)面遮擋，原材料儲備降溫，并盡量采取夜間澆筑；同時，在澆筑施工溫度控制的過程中，還需要嚴(yán)格控制澆筑入模溫度的實際溫度情況。一般而言，在施工溫度處于30～40℃之間，施工人員需要做好溫度的降溫控制工作。

2.4 冷水管安裝及運用

承臺大體積混凝土自然冷卻過程十分緩慢，為達到快速降低承臺混凝土施工中水化熱的目的，避免出現(xiàn)混凝土溫差裂縫，施工人員應(yīng)在橋梁承臺內(nèi)布置循環(huán)冷卻水管，并利用水箱建立冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。冷卻水管主要由熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良、強度高的規(guī)格φ48×2、外徑48mm、壁厚2mm 的普通焊接鋼管制成?？紤]到鋼管自身剛度和強度較大，所以冷卻管安裝時其定位鋼筋應(yīng)與承臺鋼筋焊接，確保其成型效果。橋梁承臺冷卻管按照1 層/延米的層間距豎向布置，其與頂、底面的距離控制在50cm，冷卻管間距1m。冷卻管盡量順結(jié)構(gòu)長向布置，單根管長控制在200m 以內(nèi)，減少接頭、彎頭，對于不可避免的接頭應(yīng)牢固固定，并加強密水檢查工作，確保冷卻管通暢。將每層冷卻水管的各個管路單獨編號，并增設(shè)獨立控制閥門，通過流量調(diào)節(jié)以及向水箱內(nèi)加冷水的方式達到溫度控制的目的。冷卻管安裝結(jié)束后，應(yīng)做通水試驗，全面檢查漏水情況，為便于通水，其進出口應(yīng)統(tǒng)一設(shè)置在承臺頂面并標(biāo)記，各層的進出水口位置錯開設(shè)置。在施工的過程中，為了能夠提高冷卻水管的應(yīng)用效果，在安裝完成之后工作人員還可以通過閉水實驗的方式檢查滲漏的情況，如果漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，則需要根據(jù)實際的情況調(diào)整安裝接口的位置，保證冷卻管的通水性具備流暢功能。

主塔承臺冷卻水管共布置7 層，塔座冷卻水管布置3 層，1#墩承臺冷卻水管布置4 層，冷卻水管平面間距及層間距均為1m。施工過程中，結(jié)合實時溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整冷卻水流量，保證大體積混凝土各溫控指標(biāo)均符合施工規(guī)范要求。主塔承臺冷卻管布置示意圖詳見圖1。

圖1 主塔承臺冷卻管布置（單位：cm）

開始澆筑承臺混凝土后先不通水，待混凝土達到終凝狀態(tài)后再開始通水，采用1.5m3/h 的流量進行水化熱計算，1～7d 采用1.5～2m3/h 流量，7～14d 則根據(jù)施工現(xiàn)場環(huán)境溫度及大體積混凝土溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整冷卻水流量。如果溫差較大，應(yīng)加大冷卻水流速；相反，若溫差小，可減小冷卻水流速，待結(jié)束承臺大體積混凝土循環(huán)冷卻施工后，采用水泥砂漿填實冷卻管，并將外露的進出水口部分截除，將承臺表面整平處理。

3 溫控控制監(jiān)測

3.1 溫度控制仿真模擬

本橋梁承臺大體積混凝土溫度控制仿真模擬通過MIDAS Civil 有限元軟件水化熱模塊，結(jié)合橋梁工程承臺結(jié)構(gòu)及冷卻管設(shè)置，以1#墩承臺結(jié)構(gòu)為例構(gòu)建有限元仿真模型，共包括2.25×104個實體單元；結(jié)合分層施工設(shè)計模擬各層大體積混凝土施工及溫控過程，該工程承臺混凝土絕熱溫升53.96℃，導(dǎo)溫系數(shù)0.672，比熱96[kJ/kN·℃]，熱傳導(dǎo)率10.6[kJ/m·hr·℃]。

3.2 溫控監(jiān)測

采用由智能溫度傳感器與自動溫度測試儀組成的自動溫度測試系統(tǒng)進行該橋梁承臺大體積混凝土溫度監(jiān)測，在設(shè)置混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測點時，應(yīng)結(jié)合承臺混凝土結(jié)構(gòu)及冷卻管設(shè)置情況，在每層頂面、底面和中間設(shè)置測試斷面和監(jiān)測點[3]。

根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果，選取承臺大體積混凝土內(nèi)部溫度最高的兩個測點和外部溫度最低的三個測點繪制溫度過程變化曲線。通過監(jiān)測結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)，承臺大體積混凝土澆筑61h 后，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度峰值計算值達到56.5℃的最高水平；混凝土開盤鑒定后，75h 左右內(nèi)部實測溫度達到57.1℃的最高值。由于混凝土澆筑過程中按照不短于12h 的時間摻加緩凝劑，所以計算值與實測溫度峰值及到達時間等基本一致。承臺大體積混凝土里表溫差最大值為22℃，在采取綜合措施降溫過程中混凝土澆筑體里表溫差實測值在8.5～18.7℃區(qū)間內(nèi)變化，這與實測結(jié)果基本吻合。根據(jù)上述分析結(jié)果，該橋梁工程承臺大體積混凝土內(nèi)部溫度變動峰值以及溫度控制過程中澆筑體里表溫度差均符合規(guī)范要求。在本工程施工過程中，為了提高施工溫度、減少大體積混凝土裂縫問題的出現(xiàn)，在施工溫度檢測的過程中要求工作人員全面記錄施工過程的差數(shù)值，同時根據(jù)施工環(huán)境以及混凝土體內(nèi)的溫度變化情況進行了詳細(xì)分析，由此該工程在具體施工的過程中，各項方面指數(shù)要求均達到了期望值。

3.3 應(yīng)力場分析

本橋梁承臺大體積混凝土溫度控制措施實施歷時共41d，在大體積混凝土澆筑養(yǎng)護期間表面并未出現(xiàn)明顯裂縫，且根據(jù)承臺混凝土應(yīng)力場計算結(jié)果，其各層混凝土縱向拉應(yīng)力分別為1.01MPa、1.02MPa 和1MPa，比相應(yīng)齡期規(guī)范允許值1.28MPa、1.28MPa 和1.22MPa 小。計算的各層混凝土內(nèi)部溫度峰值所對應(yīng)齡期抗拉強度與拉應(yīng)力最大值的比值分別為1.22、1.21 和1.21，比規(guī)范要求的1.15 大[3]。由此可以判斷，本橋梁工程承臺大體積混凝土軸向拉應(yīng)力最大值及混凝土抗裂安全系數(shù)均符合規(guī)范要求，承臺大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性很小。

4 結(jié)語

白帝城長江大橋承臺體積較大，施工時間安排在夏季，大體積混凝土澆筑過程中因環(huán)境溫度較高而容易造成混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫。由此，根據(jù)工程實際主要采取分層澆筑、原材料控制、配合比設(shè)計、混凝土攪拌、冷卻水管安裝、保溫保濕養(yǎng)護等大體積混凝土溫度控制綜合性措施。在大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外設(shè)置溫度監(jiān)測點，并通過MIDAS Civil 有限元軟件進行該橋梁承臺大體積混凝土溫度場和應(yīng)力場的仿真模擬分析，結(jié)果顯示，實測溫度場變動趨勢與仿真模擬結(jié)果吻合度良好，且綜合性溫控措施實施后大體積混凝土溫度場及應(yīng)力場指標(biāo)均符合規(guī)范要求。