2023年长江大桥承台大体积混凝土温度控制与分析

PAGEPAGE10长江大桥承台大体积混凝土温度控制与分析随着大跨度桥梁工程的不断涌现，大体积混凝土在桥梁工程中的应用越来越多，如大跨度桥梁的根底承台、悬索桥的重力式锚碇等。同时，桥梁大体积混凝土的裂缝问题也越来越受到工程界的关注，在设计和施工过程中必须采取一系列有效措施，将裂缝的生成和扩展控制到最小程度。为了防控大体积混凝土裂缝的出现，施工前应首先优化混凝土配合比，降低水泥水化热，并进行仿真模拟计算分析，验证施工方案的合理性；施工过程中应做好混凝土的温度控制与监测，以便及时采取预防技术措施，防止温升过高、温差过大等不利情况的出现。该文以某长江大桥主墩承台大体积混凝土工程为背景，通过在施工前和施工中采取一系列温控措施，有效地防控了大体积混凝土温度裂缝的出现。1工程概况某长江大桥主桥为双塔三索面预应力混凝土斜拉桥，主桥全长4657m，桥跨布置为98+196+504+196+98m；其主塔墩下部结构根底为40根直径为3.40m的大直径钻孔灌注桩，桩顶设置承台，其平面尺寸为的切角矩形，厚度为5.0m，单个主墩承台合计浇筑混凝土3300，属于大体积混凝土结构，施工工程中，如果在配合比设计、温度控制、浇筑方法、混凝土养护等方面处理不当，会造成温差应力、收缩等原因形成的裂缝，影响桥梁的使用功能和运营平安。图1承台构造示意图〔单位：mm〕2有限元模拟2.1根本计算参数1〕施工资料承台混凝土设计强度等级为C30，施工时承台分两层浇筑，二次浇筑高度同为2.5m，两层混凝土浇筑间隙期为7d，承台混凝土冷却水管采用壁厚2.5mm、直径φ32mm的圆钢管。冷却水管平面布置如图2所示。注：1―冷却管出水口；2―冷却管进水口；图2冷却水管布置平面图〔单位：cm〕2〕混凝土参数承台混凝土配合比见表1，C30混凝土物理热学参数见表2表1承台C30混凝土配合比水泥粉煤灰砂石水外加剂2837175011261702.83表2C30混凝土物理热学参数最终弹性模量/Mpa导热系数密度热胀系数比热绝热温升/9.724001.0352.2模型的建立采用通用有限元程序ANSYS对主墩承台大体积混凝土水化热温度场进行数值分析。考虑结构的对称性，取1/4实体建模，混凝土采用solid70单元模拟，水冷管采用fluid116单元模拟，水冷管与混凝土之间的热对流采用Surf152单元模拟。网格划分如图2所示，水管单元周围单元进行加密，有限元模型的边界条件按如下考虑：1/4模型对称面取为绝热边界；承台混凝土的初始温度取为浇筑时的入模温度10℃，冷却水入口温度为12℃；流量取1.5m3/h，水管通水时间设为18天，承台底部按第一类边界条件处理，取为施工期平均气温15℃；承台混凝土与空气的接触面那么采用第三类边界条件。图3承台网格划分2.3计算结果分析图4混凝土最大温升随龄期变化曲线图5无冷管承台结构温度场分布〔3d〕图6有冷管承台结构温度场分布〔3d〕混凝土内部最大温升随龄期变化如图4所示，龄期为3天时无冷管和有冷管承台结构温度场分布如图5和图6所示。结果说明，无冷却水管降温的承台浇注后的最高温度到达44.77℃，外表与内部的最大温差已接近30℃。冷却水管通水流量为1.5m3/h时，承台浇注后的最高温度到达36.8℃，外表与内部的最大温差为21.8℃，有冷却水管模型相比于无冷却水管模型，前者最高温度比后者低8℃，说明冷却水管降温效果显著，因此，设计时应根据混凝土内外温差是否小于25℃来确定冷却水管的通水流量和进出水口温差。从图4可以看出，承台内部最高温度出现双峰值现象，主要是由于分层浇筑时间间隔引起的，两层之间会有热交换，下层浇注完成后七天浇注上层，下层的温度会因为两层之间的热传导而升高，第一次和第二次浇筑温峰出现时间均为浇筑后第2～3d。3现场温度控制技术措施大体积混凝土温控是对混凝土质量的全面控制。由于大体积混凝土裂缝控制的复杂性和施工过程中的不确定性，为到达温控标准的要求，现场需采取一系列温控措施进行有效监控，包括混凝土配合比优化，浇筑温度的控制，混凝土拌合、运输、浇筑、振捣到通水、养护、保温每个施工环节。3.1合理选择混凝土原材料、优化混凝土配合比优选材质，提高普通混凝土的抗拉性能；应用微膨胀外加剂，改善混凝土的收缩性质；选用有效的缓凝高效减水剂和粉煤灰，提高大体积混凝土的和易性，减少水化热，本工程中选用的是黄石华新P.O42.5矿渣水泥，采用级粉煤灰，FDN-5高效减水剂，选用巩固耐久、级配良好的5～26.5mm的碎石，采用细度模数为2.7的中砂。在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能地降低混凝土的单位用水量，采用“三低〔低砂率、低坍落度、低水胶比〕双掺〔掺高效减水剂和高性能引气剂〕一高〔高粉煤灰掺量〕〞的设计准那么，生产出高强、高韧性、中弹、低热和高抗拉性能的抗裂混凝土。3.2施工控制措施在承台大体积混凝土施工过程中，从混凝土拌和、运输、浇筑到保温养护整个过程实施全程有效监控，特别对混凝土分层、浇筑温度和养护进行严格控制，保证混凝土施工质量。〔1〕混凝土分层施工。根据混凝土生产能力、运输条件等因素，将承台混凝土分2层浇筑，每层浇筑2.5m，控制各层混凝土浇筑间隙期为7天左右。〔2〕降低混凝土入模温度。浇筑温度根据不同的季节施工要求均作了明确的控制要求，混凝土夏季最高入模温度控制在30，混凝土冬季最低入模温度控制在10，通过测定水泥、砂、石、水的温度，估算出机温度和浇筑温度，在标准要求范围内，尽量降低混凝土的浇筑温度，降低入模温度是控制温度峰值的最有效措施之一。根据现场实际情况，提前将砂石料洒水并搭设遮阳棚来降低原材料的温度，通过冷却水拌和降低混凝土出机温度。〔3〕加强保温措施。在浇筑大体积混凝土时，应在室外气温较低时进行，浇筑后的大体积混凝土应采取保温措施以减少内表温差。早期供水养护可及时抑制混凝土的早期自收缩。在混凝土到达初凝后，必须立即用塑料薄膜和草袋覆盖，防止大风和阳光曝晒，使外表水分剧裂蒸发，形成混凝土上部和下部硬化速度不均和差异收缩。因此采用可带模供水的内衬憎水塑料钢模板或透水模板。保温养护要及时、充分。环境温度较低时，如果不采取适当的保温养护措施，容易产生冷缩裂缝。根据要求，大体积混凝土内外温差、外表与环境温差应控制在20以内，施工中执行“外保内散〞的养护措施，即一方面在混凝土体内埋设冷却水管，一方面在混凝土外表盖一定厚度的湿麻袋，予以保温并防止外表水分的过快蒸发。3.3合理埋设冷却水管在承台混凝土内部埋设冷却水管，通过流动的冷却水将散热条件不佳的混凝土内部热量带出，降低混凝土内部温度。同时埋设温度传感器，进行温度监测，保证承台混凝土水化热温差符合标准要求在25℃以内，冷却水进出口温差不超过6℃，并根据实际情况，及时调整水温或流量，防止水管周围温度裂缝的产生。冷却水管采用壁厚2.5mm、直径φ32mm的圆钢管。分两层按蛇形布置〔如图2所示〕，水平间距1m，竖向层间间距2.0m，冷却管距混凝土边缘为0.5m。混凝土浇筑中和浇筑后开启水循环散热，根据计算分析结果通水流量取1.5m3/h，冷却水与混凝土之间的温度差限制在22℃以内，利用转换装置，每天更换一次通水方向，力求均匀冷却。冷却完毕后冷却管内压入与混凝土同标号的水泥净浆灌实。4主要结论〔1〕本文分别考虑有冷却水管和无冷却水管作用，建立实体有限元模型，对大体积混凝土承台进行施工期水化热温度场分析，通过分析比拟，结果说明设置冷却水管降温效果显著。其计算结果可以用于指导设计和施工，为大体积混凝土施工制定合理的温度控制方案提供依据。〔2〕制定合理的温控措施，是防止大体积混凝土出现裂缝的重要保障，该长江大桥主桥桥墩承台大体积混凝土施工，由于采取了较为先进的设计和严格合理的温控方案，承台无开裂现象，施工质量良好，满足标准要求。〔3〕大体积混凝土温度控制与防裂是一项系统工程，施工前优化混凝土配合比，控制混凝土浇筑温度，采取合理的施工工艺，施工中的温控措施，冷却降温措施、养护保温条件等均对后期混凝土的内外温差和抗裂性能有重