龍門大橋大體積異形錨體溫控防裂難點(diǎn)及水化熱分析

李莘哲，李玉彬，馬瀾錦

(1.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200；2.廣西欣港交通投資有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

懸索橋重力式錨碇錨體承受主纜傳遞的巨大拉力，錨體自身結(jié)構(gòu)尺寸大，因此分層澆筑方量也大，屬于大體積混凝土[1]。錨體大體積混凝土一般外露在空氣中，受外部環(huán)境干擾大，水化熱控制不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)不到位都極易產(chǎn)生溫度裂縫或干縮裂縫。大體積混凝土施工過(guò)程中，溫控?cái)?shù)據(jù)往往呈現(xiàn)核心混凝土降溫速率緩慢、周邊混凝土降溫速率快的情況，容易產(chǎn)生內(nèi)表溫差超限情況。要達(dá)到良好的溫控效果，防止大體積混凝土開(kāi)裂，總體溫控要遵循“外保內(nèi)降”的原則。本文通過(guò)對(duì)龍門大橋大體積異形錨體進(jìn)行溫控防裂難點(diǎn)及水化熱分析，提出溫控防裂措施，為今后類似項(xiàng)目提供借鑒。

1 工程概況

龍門大橋東錨碇錨體從功能、受力、施工等方面可分為錨塊、散索鞍支墩、前錨室、后錨室等部分。

由于錨體各尺寸都很大，為避免錨體大體積混凝土澆筑完成后出現(xiàn)收縮裂縫和溫差裂縫，采取分層分塊澆筑錨體大體積混凝土的方法，錨體水平分塊之間設(shè)置后澆段，后澆段混凝土需添加膨脹劑，補(bǔ)償混凝土收縮形變。

前、后錨面距離為20.0 m，理論散索點(diǎn)至前錨面距離為24 m，理論散索點(diǎn)到支墩底面(混凝土面)的垂直距離為39.7 m。錨塊順橋向長(zhǎng)51.6 m，橫橋向?qū)?0.6 m，高28.18 m。在錨塊內(nèi)部后錨面設(shè)置有后錨室。散索鞍支墩高38.01 m，支墩底面平面尺寸為21.36 m×26.81 m。前錨室由側(cè)墻、底板、頂板及前墻組成。側(cè)墻及底板厚度為1 m。建立錨碇有限元模型如圖1所示。

2 溫控防裂難點(diǎn)分析

(1)錨體為異形結(jié)構(gòu)，自身有各種倒角和坡率，其每層澆筑高度為2～3 m，側(cè)面尺寸隨時(shí)在改變，給溫控和

圖1 錨碇有限元模型圖

養(yǎng)護(hù)帶來(lái)較大難度。

(2)錨體澆筑方量較大(60 030 m3)，混凝土水化熱反應(yīng)引起的絕熱溫升非常高，混凝土溫控措施[2-5]不到位時(shí)，極易因內(nèi)表溫差大導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。

(3)橋址所在地風(fēng)速較大，暴露面保濕養(yǎng)護(hù)較難控制，容易因水分蒸發(fā)過(guò)快導(dǎo)致收縮開(kāi)裂；預(yù)計(jì)施工期在夏季，環(huán)境溫度高，最高溫度不易控制。

(4)橋址地處海洋環(huán)境，受氯離子侵蝕、干濕循環(huán)作用、海浪沖擊、海洋濕熱氣候影響，對(duì)大體積混凝土抗裂要求較高。

(5)混凝土澆筑質(zhì)量受施工過(guò)程中多種因素影響，極易使混凝土內(nèi)部溫度的發(fā)展過(guò)程偏離預(yù)期狀態(tài)，超出溫控指標(biāo)范圍，引發(fā)溫度裂縫，需對(duì)混凝土內(nèi)部溫度發(fā)展實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)預(yù)警施工中實(shí)際溫度與預(yù)期狀態(tài)間的較大偏差，控制其在容許范圍內(nèi)，以滿足溫控設(shè)計(jì)的要求。

3 仿真計(jì)算方法及模型

3.1 材料力學(xué)及熱學(xué)參數(shù)

錨碇錨體混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，混凝土配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)下頁(yè)表1?；炷亮W(xué)性能、物理熱學(xué)參數(shù)根據(jù)混凝土配合比進(jìn)行計(jì)算并參考工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表2。

表1 C40 錨碇錨體混凝土配合比設(shè)計(jì)表(kg/m3)

表2 仿真材料力學(xué)及物理熱學(xué)性能相關(guān)參數(shù)一覽表

3.2 模型參數(shù)

錨體中錨塊部分占據(jù)了主導(dǎo)地位，以錨塊為例進(jìn)行溫控計(jì)算，結(jié)果可推廣應(yīng)用于散索鞍支墩。錨塊具有對(duì)稱性，取一半進(jìn)行計(jì)算。

約束條件：底部取等效對(duì)流邊界與基礎(chǔ)混凝土換熱，與空氣接觸的部分采用對(duì)流邊界與空氣換熱。如圖2所示。

圖2 錨塊大體積混凝土網(wǎng)格剖分圖

3.3 邊界條件

(1)錨碇頂板頂部設(shè)置固定邊界及恒定溫度為30 ℃。

(2)混凝土上表面與空氣對(duì)流換熱，無(wú)保溫措施時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)為 54.094 kJ/m·hr·℃。

3.4 澆筑條件

(1)設(shè)置錨塊混凝土澆筑溫度為30 ℃。

(2)錨碇基礎(chǔ)施工在 2022年3月至2022年10月期間進(jìn)行，澆筑大氣溫度偏不利工況，取35 ℃，見(jiàn)圖3。

圖3 欽州市月平均氣溫曲線圖

3.5 工況設(shè)置

基于上述初始條件和邊界條件，設(shè)置了兩種工況進(jìn)行計(jì)算，如表3所示。

表3 計(jì)算工況設(shè)置表

4 溫控仿真結(jié)果分析

錨體結(jié)構(gòu)尺寸下大上小，其最下面幾層混凝土方量最大，水化熱溫差效應(yīng)最明顯。澆筑錨體錨塊第一層混凝土?xí)r，底部錨碇基礎(chǔ)頂板混凝土放置時(shí)間已有 1個(gè)月以上，混凝土溫度接近大氣溫度，因此頂板混凝土對(duì)錨塊第一層混凝土的溫度影響不大。而澆筑錨塊第二層混凝土?xí)r，第一層的混凝土中心熱量未完全釋放，因此澆筑第二層混凝土的溫控難度最大。這里以澆筑錨塊第二層混凝土為例進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)定的計(jì)算模型和計(jì)算條件，得出計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

(a)工況1

(b)工況2

(1)在工況 1 條件下，錨塊第二層大體積混凝土中心最高溫度可達(dá)75 ℃，里表溫差將超過(guò)45 ℃，不符合相關(guān)規(guī)范要求；在工況2條件下，錨塊大體積混凝土中心最高溫度為70 ℃，最大里表溫差約8 ℃，符合相關(guān)規(guī)范要求。

(2)對(duì)比工況1和工況2可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的水管布置(水平間距1.5 m×層間距1.5 m)可以降低大體積混凝土內(nèi)部最高溫度(降低5 ℃)，減少內(nèi)表溫差。

(3)分析工況1可以發(fā)現(xiàn)，在下一層混凝土開(kāi)始澆筑前，已澆筑層混凝土的內(nèi)部溫度會(huì)緩慢降低，但是在下一層混凝土開(kāi)始澆筑之后，已澆筑層混凝土溫度幾乎不變，熱量積聚在混凝土內(nèi)部無(wú)法有效消散；在工況2條件下，預(yù)埋的冷卻水管可以快速帶走混凝土內(nèi)部的熱量，在下一層混凝土開(kāi)始澆筑前將內(nèi)部溫度降至較低水平。

(4)分析工況2可以發(fā)現(xiàn)，下一層混凝土開(kāi)始澆筑后，已澆筑層混凝土內(nèi)部溫度會(huì)短期升高再降低，因此冷卻水管通水應(yīng)該持續(xù)到下一層混凝土開(kāi)始澆筑時(shí)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)錨體總體溫控要“外保內(nèi)降”。內(nèi)部需設(shè)置冷卻水管，冷卻水管通水可以采用智能溫控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋溫控情況，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化通水換向控制。外側(cè)受斜面、倒角影響，可以采取帶模外掛碘鎢燈保溫處理；頂面可以采取蓄水保溫、保濕處理。

(2)針對(duì)本工程錨體大體積混凝土的特點(diǎn)以及當(dāng)?shù)貧夂驐l件，需盡量降低混凝土澆筑溫度，入模溫度≤26 ℃。錨體側(cè)面拆模時(shí)間≥7 d，以減少混凝土過(guò)早暴露失水而引起收縮開(kāi)裂。

(3)混凝土應(yīng)按海工混凝土配合比設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，保證混凝土的耐海洋環(huán)境腐蝕性能。

(4)施工過(guò)程必須做好溫度探頭埋設(shè)和溫度監(jiān)測(cè)，溫度數(shù)據(jù)采集應(yīng)智能信息化，通水時(shí)間宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混凝土溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定，但至少持續(xù)兩個(gè)澆筑層的施工時(shí)間。