濱海地區(qū)公路橋大跨度連續(xù)梁冬季懸澆施工的溫度控制技術(shù)

葉亦盛 王增峰

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430064

1 工程概述

1.1 工程概況

河北省唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)跨納潮河2#大橋工程位于曹妃甸工業(yè)區(qū)中部，是連接納潮河南北兩岸的重要交通通道，也是工業(yè)區(qū)綜合服務(wù)區(qū)南北向的主要生活性城市橋梁。主橋上部結(jié)構(gòu)采用分離式左右幅預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，全長525 m，七跨一聯(lián)（50 m＋5×85 m＋50 m）布置，每幅橋?qū)?6.5 m，中間預(yù)留寬13 m軌道交通線路空間，單箱單室直腹板斷面，箱寬8 m，墩頂梁高5 m，跨中梁高2.5 m（圖1）。

1.2 氣候條件

曹妃甸工業(yè)區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，盛行偏西北風(fēng)，平均風(fēng)速為5.1 m/s，極端最低氣溫－25.7 ℃。經(jīng)多年氣象資料顯示，曹妃甸地區(qū)在冬季最低氣溫在－15～－10 ℃。

2 施工方案設(shè)計

2.1 混凝土配合比設(shè)計優(yōu)化

圖1 箱梁截面

箱梁混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C50，水泥采用普通硅酸鹽水泥，摻用以防凍劑-減水劑-早強(qiáng)劑-引氣劑組成的復(fù)合外加劑以增加其抗凍能力。在保證主梁混凝土特征穩(wěn)定的前提下，對混凝土的配比進(jìn)行優(yōu)化，將混凝土配合比調(diào)整為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶砂∶碎石∶水∶減水劑=338∶77∶68∶637∶1 135∶145∶9.7。

2.2 擬采用的保溫方案

根據(jù)工程特點及氣候條件，采用蓄熱法、蒸汽加熱法和暖棚加熱法等3種方式，擬采用以下技術(shù)方案[1-3]：

1）方案1：箱梁腹板混凝土外側(cè)面散熱面為厚1 cm鋼模板＋厚1.5 cm擠塑板＋厚3 cm棉被，同時受外圍熱水管（水管間距25 cm）溫度作用，保證外側(cè)溫度為10 ℃；內(nèi)側(cè)面散熱面為厚1 cm鋼模板，上表面采用塑料薄膜＋厚3 cm棉被覆蓋。

2）方案2：箱梁腹板混凝土外側(cè)面散熱面為厚1 cm鋼模板＋厚1.5 cm擠塑板＋厚3 cm棉被，同時受外圍熱水管（水管間距25 cm）溫度作用，保證外側(cè)溫度達(dá)到10 ℃；腹板內(nèi)側(cè)面散熱面為厚1 cm鋼模板，同時箱室內(nèi)持續(xù)通蒸汽，保障箱室內(nèi)環(huán)境溫度為10 ℃，上表面采用塑料薄膜＋厚3 cm棉被覆蓋。

3）方案3：箱梁腹板混凝土外側(cè)面散熱面為厚1 cm鋼模板＋厚1.5 cm擠塑板＋厚3 cm棉被，同時受外圍熱水管（水管間距25 cm）溫度作用，保證外側(cè)溫度為10 ℃；腹板內(nèi)側(cè)面散熱面為厚1 cm鋼模板，同時箱室內(nèi)持續(xù)通蒸汽，保障箱室內(nèi)環(huán)境溫度為15 ℃；上表面采用塑料薄膜＋厚3 cm棉被覆蓋。

3 仿真模擬計算

3.1 混凝土性能指標(biāo)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)得出大體積混凝土的熱學(xué)性能。箱梁絕熱溫升54.5 K，比熱容0.91 kJ/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)8.9 kJ/（m·h·k），泊松比0.165，線膨脹系數(shù)10×10-6K-1，強(qiáng)度增長系數(shù)a=4.5、b=0.95、d=1.11，散熱系數(shù)根據(jù)各方案分別取值。

3.2 箱梁結(jié)構(gòu)模型參數(shù)

1）構(gòu)件尺寸：箱梁1#塊尺寸為（8.000～16.200） m×3.500 m×（4.141～4.519） m。

2）約束條件：箱梁采用懸臂掛籃澆筑，下部無約束，受已澆筑相鄰箱梁約束。

3）分層分塊：箱梁一次澆筑完成。

根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，取箱梁混凝土1/2進(jìn)行混凝土內(nèi)部溫度和應(yīng)力計算（圖2）。

圖2 箱梁1#塊大體積混凝土1/2網(wǎng)格剖分（含0#塊約束條件）

3.3 不同保溫方式對箱梁混凝土裂縫的影響

冬季極端期，不同模板外側(cè)保溫措施的大體積箱梁混凝土仿真計算邊界條件如表1所示。其中：

1）環(huán)境溫度：冬季極端期箱梁混凝土施工，環(huán)境溫度取為－15～0 ℃。

表1 冬季常溫期箱梁大體積混凝土邊界條件

2）入模溫度：冬季施工控制為≥5 ℃，仿真計算取為5 ℃。

3）散熱條件：等效散熱系數(shù)可根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的公式2-3-4、公式2-3-5進(jìn)行計算。本工程的計算取風(fēng)速為2 m/s。

根據(jù)以上設(shè)定的各方案設(shè)定條件，冬季常溫期箱梁大體積混凝土內(nèi)部最高溫度及最大內(nèi)表溫差結(jié)果見表2，并可得到方案1、方案2和方案3內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖（圖3）。

表2 箱梁混凝土內(nèi)部溫度計算結(jié)果

圖3 混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖

冬季箱梁大體積混凝土應(yīng)力計算結(jié)果見表3?？梢钥闯?，方案1、方案2的混凝土3 d最小抗裂安全系數(shù)分別為1.31和1.38（＜1.4），存在一定的開裂風(fēng)險；方案3的混凝土3 d最小抗裂安全系數(shù)為1.40（≥1.4），抗裂安全性基本滿足要求。

4 現(xiàn)場實施

1）為保障箱室內(nèi)外環(huán)境溫度可控，現(xiàn)場懸澆梁節(jié)段整體采用帆布包裹，帆布周邊間距50 cm各設(shè)綁扎帶1條，綁扎帶遠(yuǎn)離帆布邊緣30 cm，以確保相鄰帆布綁扎后重疊不漏風(fēng)。懸臂端端面帆布與順橋向自翼緣板垂落帆布綁扎后形成封閉的保溫空間。為防止大風(fēng)將帆布刮走或刮壞，帆布內(nèi)側(cè)綁扎帶與掛籃模板綁扎牢固（圖4）。

表3 箱梁混凝土內(nèi)部應(yīng)力結(jié)果

2）箱梁腹板混凝土外側(cè)面散熱面粘貼擠塑板作為保溫層，擠塑板嵌入模板縱橫肋之間；在擠塑板外側(cè)以25 cm間距布設(shè)熱水循環(huán)管道，通過熱水鍋爐進(jìn)行循環(huán)加熱，保持模板外側(cè)的溫度。固定擠塑板和熱水循環(huán)管道通過φ8 mm鋼筋與模板縱橫肋點焊固定（圖5）。

圖4 掛籃外側(cè)帆布整體包裹

圖5 掛籃模板外側(cè)嵌擠塑板及 熱水循環(huán)管道布設(shè)

3）混凝土澆筑選擇在白天溫度較高時段進(jìn)行，有利于混凝土入模溫度的控制。為確保混凝土在入模前結(jié)合面溫度不低于5 ℃，對上一節(jié)段懸臂端截面已澆筑混凝土表面用熱水進(jìn)行澆淋，對梁體模板和鋼筋采用電熱風(fēng)炮加熱，保證該結(jié)合部溫度在5 ℃以上。

4）針對箱梁頂板容易散熱受凍的問題，在頂面先覆蓋一層塑料薄膜，再在其上加裝電熱毯，然后覆蓋棉被，加強(qiáng)頂板部位保溫。

5）在箱室內(nèi)，采用電蒸汽發(fā)生器升溫，根據(jù)溫度監(jiān)測裝置，適時啟動電蒸汽發(fā)生器向箱室內(nèi)輸送蒸汽，確保箱內(nèi)溫度不低于15 ℃，并保持箱室內(nèi)溫度基本恒定。

5 溫度監(jiān)測分析

混凝土澆筑前在箱梁內(nèi)設(shè)置溫度傳感器作為測溫點，測溫點布置在保溫最差部位，以備養(yǎng)護(hù)時對梁體混凝土進(jìn)行溫度監(jiān)測，即翼緣板左右側(cè)各設(shè)置1個，頂板中設(shè)置1個，底板中設(shè)置1個，左右腹板處各設(shè)置2個，一組共計8個測溫點（圖6），均采用測溫線，腹板及底板測溫線統(tǒng)一引到箱室內(nèi)，頂板測溫線由頂板引出。

圖6 箱梁1#塊測溫元件布置示意

箱梁混凝土冬季施工溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4所示。從監(jiān)測數(shù)據(jù)（表4、圖7）可以看出，混凝土入模溫度為8.0～10.9 ℃，符合澆筑溫度≥5 ℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)?；炷翝仓箝_始水化升溫，于28 h到達(dá)溫峰，內(nèi)部最高溫度40.7 ℃，符合內(nèi)部最高溫度≤45 ℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)。溫峰過后通過調(diào)節(jié)冷卻水控制降溫速率為0.3～1.8 K/d，符合降溫速率≤2.0 K /d的溫控標(biāo)準(zhǔn)。箱梁混凝土內(nèi)表溫差前期隨內(nèi)部溫度增加而增加，后期隨表面溫度波動而波動，最大內(nèi)表溫差為20.4 K，符合≤25 K的溫控標(biāo)準(zhǔn)。

表4 箱梁溫度特征值監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖7 冬季極端期箱梁混凝土監(jiān)測點溫度歷時曲線

6 結(jié)語

實踐證明，唐山納潮河2#大橋冬季施工采取的蒸汽＋熱水管的保溫措施是行之有效的方法。從監(jiān)測結(jié)果來看，溫度監(jiān)測結(jié)果與計算較為吻合，基本滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)；從現(xiàn)場情況來看，未出現(xiàn)影響構(gòu)件安全的可見裂縫，達(dá)到了預(yù)期的溫控目標(biāo)，實現(xiàn)了箱梁在極端氣溫條件下的混凝土施工和溫度裂縫的控制，確保了橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。