長(zhǎng)江大橋承臺(tái)大體積混凝土溫度控制與分析

1、長(zhǎng)江大橋承臺(tái)大體積混凝土溫度控制與分析 隨著大跨度橋梁工程的不斷涌現(xiàn)，大體積混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用越來(lái)越多，如大跨度橋梁的基礎(chǔ)承臺(tái)、懸索橋的重力式錨碇等。同時(shí)，橋梁大體積混凝土的裂縫問(wèn)題也越來(lái)越受到工程界的關(guān)注，在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中務(wù)必實(shí)行一系列有效措施，將裂縫的生成和擴(kuò)展控制到最小程度。為了防控大體積混凝土裂縫的消失，施工前應(yīng)首先優(yōu)化混凝土協(xié)作比，降低水泥水化熱，并舉行仿真模擬計(jì)算分析，驗(yàn)證施工方案的合理性；施工過(guò)程中應(yīng)做好混凝土的溫度控制與監(jiān)測(cè)，以便準(zhǔn)時(shí)實(shí)行預(yù)防技術(shù)措施，防止溫升過(guò)高、溫差過(guò)大等不利狀況的消失。該文以某長(zhǎng)江大橋主墩承臺(tái)大體積混凝土工程為背景，通過(guò)在施工前和施工中實(shí)行一系列溫

2、控措施，有效地防控了大體積混凝土溫度裂縫的消失。 1 工程概況 某長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)殡p塔三索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主橋全長(zhǎng)4657m，橋跨布置為98+196+504+196+98m；其主塔墩下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為40根直徑為3.40m的大直徑鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)置承臺(tái)，其平面尺寸為 的切角矩形，厚度為5.0m，單個(gè)主墩承臺(tái)合計(jì)澆筑混凝土3300 ，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，施工工程中，倘若在協(xié)作比設(shè)計(jì)、溫度控制、澆筑方法、混凝土養(yǎng)護(hù)等方面處理不當(dāng)，會(huì)造成溫差應(yīng)力、收縮等緣由形成的裂縫，影響橋梁的使用功能和運(yùn)營(yíng)平安。 圖1 承臺(tái)構(gòu)造暗示圖（單位：mm） 2 有限元模擬 2.1 基本計(jì)算參數(shù) 1）施工資料 承臺(tái)混凝

3、土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，施工時(shí)承臺(tái)分兩層澆筑，二次澆筑高度同為2.5m，兩層混凝土澆筑間隙期為7d， 承臺(tái)混凝土冷卻水管采用壁厚2.5mm、直徑32mm的圓鋼管。冷卻水管平面布置如圖2所示。 注：1冷卻管出水口；2冷卻管進(jìn)水口； 圖2 冷卻水管布置平面圖（單位：cm） 2）混凝土參數(shù) 承臺(tái)混凝土協(xié)作比見(jiàn)表1，C30混凝土物理熱學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2 表1 承臺(tái)C30混凝土協(xié)作比 水泥 粉煤灰 砂 石 水 外加劑 283 71 750 1126 170 2.83 表2 C30混凝土物理熱學(xué)參數(shù) 終于彈性模量/Mpa 導(dǎo)熱系數(shù) 密度 熱脹系數(shù) 比熱 絕熱溫升/ 9.7 2400 1.0 35 2.2 模型的

4、建立 采用通用有限元程序ANSYS對(duì)主墩承臺(tái)大體積混凝土水化熱溫度場(chǎng)舉行數(shù)值分析。考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取1/4實(shí)體建模，混凝土采用solid70單元模擬，水冷管采用fluid116單元模擬，水冷管與混凝土之間的熱對(duì)流采用Surf152單元模擬。網(wǎng)格劃分如圖2所示，水管單元四周單元舉行加密， 有限元模型的邊界條件按如下考慮：1/4模型對(duì)稱面取為絕熱邊界；承臺(tái)混凝土的初始溫度取為澆筑時(shí)的入模溫度10，冷卻水入口溫度為12；流量取1.5m3/h，水管通水時(shí)光設(shè)為18天，承臺(tái)底部按第一類邊界條件處理，取為施工期平均氣溫15；承臺(tái)混凝土與空氣的接觸面則采用第三類邊界條件。 圖3 承臺(tái)網(wǎng)格劃分 2.3 計(jì)算

5、結(jié)果分析 圖4 混凝土最大溫升隨齡期變化曲線 圖5 無(wú)冷管承臺(tái)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布（3d） 圖6 有冷管承臺(tái)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布（3d） 混凝土內(nèi)部最大溫升隨齡期變化如圖4所示，齡期為3天時(shí)無(wú)冷管和有冷管承臺(tái)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布如圖5和圖6所示。結(jié)果表明，無(wú)冷卻水管降溫的承臺(tái)澆注后的最高溫度達(dá)到44.77，表面與內(nèi)部的最大溫差已臨近30。冷卻水管通水流量為1.5m3/h時(shí)，承臺(tái)澆注后的最高溫度達(dá)到36.8，表面與內(nèi)部的最大溫差為21.8，有冷卻水管模型相比于無(wú)冷卻水管模型，前者最高溫度比后者低8，說(shuō)明冷卻水管降溫效果顯著，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照混凝土內(nèi)外溫差是否小于25來(lái)決定冷卻水管的通水流量和進(jìn)出水口溫差。 從圖

6、4可以看出，承臺(tái)內(nèi)部最高溫度消失雙峰值現(xiàn)象，主要是因?yàn)榉謱訚仓r(shí)光間隔引起的，兩層之間會(huì)有熱交換，下層澆注完成后七天澆注上層，下層的溫度會(huì)由于兩層之間的熱傳導(dǎo)而上升，第一次和其次次澆筑溫峰消失時(shí)光均為澆筑后第23d。 3 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制技術(shù)措施 大體積混凝土溫控是對(duì)混凝土質(zhì)量的全面控制。因?yàn)榇篌w積混凝土裂縫控制的復(fù)雜性和施工過(guò)程中的不決定性，為達(dá)到溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求，現(xiàn)場(chǎng)需實(shí)行一系列溫控措施舉行有效監(jiān)控，包括混凝土協(xié)作比優(yōu)化，澆筑溫度的控制，混凝土拌合、運(yùn)送、澆筑、振搗到通水、養(yǎng)護(hù)、保溫每個(gè)施工環(huán)節(jié)。 3.1合理抉擇混凝土原材料、優(yōu)化混凝土協(xié)作比 優(yōu)選材質(zhì)，提高平凡混凝土的抗拉性能；應(yīng)用微膨脹外加劑

7、，改善混凝土的收縮性質(zhì)；選用有效的緩凝高效減水劑和粉煤灰，提巍峨體積混凝土的和易性，削減水化熱，本工程中選用的是黃石華新P.O42.5礦渣水泥，采用 級(jí)粉煤灰，F(xiàn)DN-5高效減水劑，選用堅(jiān)固耐久、級(jí)配良好的526.5mm的碎石，采用細(xì)度模數(shù)為2.7的中砂。在保證混凝土具有良好工作性的狀況下，應(yīng)盡可能地降低混凝土的單位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）雙摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑）一高（高粉煤灰摻量）”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，生產(chǎn)出高強(qiáng)、高韌性、中彈、低熱和高抗拉性能的抗裂混凝土。 3.2 施工控制措施 在承臺(tái)大體積混凝土施工過(guò)程中，從混凝土拌和、運(yùn)送、澆筑到保溫養(yǎng)護(hù)囫圇過(guò)程實(shí)施全程有效監(jiān)

8、控，特殊對(duì)混凝土分層、澆筑溫度和養(yǎng)護(hù)舉行嚴(yán)格控制，保證混凝土施工質(zhì)量。 （1）混凝土分層施工。按照混凝土生產(chǎn)能力、運(yùn)送條件等因素，將承臺(tái)混凝土分2層澆筑，每層澆筑2.5m，控制各層混凝土澆筑間隙期為7天左右。 （2）降低混凝土入模溫度。澆筑溫度按照不同的時(shí)節(jié)施工要求均作了明確的控制要求，混凝土夏季最高入模溫度控制在30 ，混凝土冬季最低入模溫度控制在10 ，通過(guò)測(cè)定水泥、砂、石、水的溫度，估算出機(jī)溫度和澆筑溫度，在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，盡量降低混凝土的澆筑溫度，降低入模溫度是控制溫度峰值的最有效措施之一。按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，提前將砂石料灑水并搭設(shè)遮陽(yáng)棚來(lái)降低原材料的溫度，通過(guò)冷卻水拌和降低混凝土出機(jī)溫

9、度。 （3）加強(qiáng)保溫措施。在澆筑大體積混凝土?xí)r，應(yīng)在室外氣溫較低時(shí)舉行，澆筑后的大體積混凝土應(yīng)實(shí)行保溫措施以削減內(nèi)表溫差。早期供水養(yǎng)護(hù)可準(zhǔn)時(shí)抑制混凝土的早期自收縮。在混凝土達(dá)到初凝后，務(wù)必立刻用塑料薄膜和草袋掩蓋，防止大風(fēng)和陽(yáng)光曝曬，使表面水分劇裂蒸發(fā)，形成混凝土上部和下部硬化速度不均和差異收縮。因此采用可帶模供水的內(nèi)襯憎水塑料鋼模板或透水模板。保溫養(yǎng)護(hù)要準(zhǔn)時(shí)、充分。環(huán)境溫度較低時(shí)，倘若不實(shí)行適當(dāng)?shù)谋仞B(yǎng)護(hù)措施，簡(jiǎn)單產(chǎn)生冷縮裂縫。按照要求，大體積混凝土內(nèi)外溫差、表面與環(huán)境溫差應(yīng)控制在20 以內(nèi)，施工中執(zhí)行“外保內(nèi)散”的養(yǎng)護(hù)措施，即一方面在混凝土體內(nèi)埋設(shè)冷卻水管，一方面在混凝土表面蓋一定厚度的濕

10、麻袋，予以保溫并避開(kāi)表面水分的過(guò)快蒸發(fā)。 3.3 合理埋設(shè)冷卻水管 在承臺(tái)混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管，通過(guò)流淌的冷卻水將散熱條件不佳的混凝土內(nèi)部熱量帶出，降低混凝土內(nèi)部溫度。同時(shí)埋設(shè)溫度傳感器，舉行溫度監(jiān)測(cè)，保證承臺(tái)混凝土水化熱溫差符合規(guī)范要求在25以內(nèi)，冷卻水進(jìn)出口溫差不超過(guò)6，并按照實(shí)際狀況，準(zhǔn)時(shí)調(diào)節(jié)水溫或流量，防止水管四周溫度裂縫的產(chǎn)生。冷卻水管采用壁厚2.5mm、直徑32mm的圓鋼管。分兩層按蛇形布置（如圖2所示），水平間距1m，豎向?qū)娱g間距2.0m，冷卻管距混凝土邊緣為0.5m?；炷翝仓泻蜐仓箝_(kāi)啟水循環(huán)散熱，按照計(jì)算分析結(jié)果通水流量取1.5m3/h，冷卻水與混凝土之間的溫度差限制在22以內(nèi)，利用轉(zhuǎn)換裝置，天天更換一次通水方向，力求勻稱冷卻。冷卻完畢后冷卻管內(nèi)壓入與混凝土同標(biāo)號(hào)的水泥凈漿灌實(shí)。 4 主要結(jié)論 （1）本文分離考慮有冷卻水管和無(wú)冷卻水管作用，建立實(shí)體有限元模型，對(duì)大體積混凝土承臺(tái)舉行施工期水化熱溫度場(chǎng)分析，通過(guò)分析比較，結(jié)果表明設(shè)置冷卻水管降溫效果顯著。其計(jì)算結(jié)果可以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，為大體積混凝土施工制定合理的溫度控制方案供應(yīng)依據(jù)。 （2）制定合理的溫控措施，是防止大體積混凝土消失裂縫的重要保障，該長(zhǎng)江大橋主橋橋墩承臺(tái)