李招明

(中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300)

1 引 言

隨著我國橋梁施工技術(shù)的不斷提高，很多跨江跨海的公鐵兩用橋紛紛興建，大部分橋梁均采用在鋼圍堰內(nèi)澆筑大體積混凝土承臺進(jìn)行施工。在澆筑承臺時會產(chǎn)生大量的水化熱，由于混凝土導(dǎo)熱性差，承臺內(nèi)外表面溫差過大，極易產(chǎn)生溫度裂縫。這種裂縫會大幅降低公鐵兩用橋承臺的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

目前，國內(nèi)外關(guān)于大體積混凝土溫控研究持續(xù)不斷。葉生春對極端氣候下的承臺做溫控研究，表明合理的配合比及溫控措施可有效防止溫度裂縫的產(chǎn)生；張永健對不同水泥承臺進(jìn)行溫控研究，顯示低熱水泥混凝土具有更好的溫控效果；陶亞成通過優(yōu)化原材料和溫控措施，在保溫保濕養(yǎng)護(hù)條件下，能有效減少裂縫。Yunus建立了有限差分熱模型，能夠較好的預(yù)測混凝土內(nèi)部溫度。

由上述研究可見，現(xiàn)階段對于公鐵兩用橋鋼吊箱混凝土承臺溫度控制技術(shù)缺乏研究。而本工程承臺承擔(dān)鐵路公路雙重荷載作用，因此對裂縫要求更為嚴(yán)格。以福建省平潭海峽公鐵兩用大橋為例，對鋼吊箱混凝土承臺溫度控制技術(shù)進(jìn)行研究。通過有限元研究鋼吊箱混凝土承臺溫度場分布規(guī)律，提出適合鋼吊箱承臺溫控方案，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測驗證溫度控制的有效性。

2 工程概況

平潭海峽公鐵兩用大橋位于福建省平潭縣境內(nèi)，橋梁全長3 713 m。多跨簡支梁橋施工采用鋼吊箱混凝土承臺，厚度5.0 m，平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于承臺澆筑方量過大，遂采用分層澆筑的方法，第一層高度為2.0 m，第二層為3.0 m，澆筑間隔時間為7 d，采用C25混凝土封底，厚度為2.0 m。

圖1 承臺平面圖/mm

3 承臺溫度仿真分析

3.1 材料取值和環(huán)境條件

承臺選用C50混凝土，混凝土的配合比如表1所示。橋址所在地平潭縣屬于亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，全年冬短夏長。依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，仿真計算時澆筑溫度取為21.0 ℃。

表1 C50混凝土材料用量 kg/m3

3.2 冷卻水管布置

冷卻水管采用Φ40×2.5 mm，承臺第一澆筑層高2 m，布設(shè)2層水管，第二澆筑層高3 m，布設(shè)3層水管。冷卻水管橫向間距為80 cm，縱向間距為70 cm，冷卻水管具體布置方式如圖2所示。

圖2 水管布置示意圖

3.3 計算結(jié)果

(1)溫度結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性建立1/4模型，如圖3所示。經(jīng)計算，由圖4可知承臺第一層最高溫度為60.7 ℃，承臺第二層最高溫度為65.8 ℃，溫峰出現(xiàn)時間約為澆筑后第2 d，滿足規(guī)范小于50 ℃的規(guī)定。

圖3 有限元模型

圖4 承臺內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖

(2)應(yīng)力計算結(jié)果

承臺各澆筑層溫度應(yīng)力場分布如圖5和圖6所示。承臺早期因內(nèi)表溫度出現(xiàn)差異，導(dǎo)致承臺表面出現(xiàn)拉應(yīng)力。3 d時溫度達(dá)到峰值，7 d后隨著溫度的降低，內(nèi)表溫差的減小，拉應(yīng)力逐漸由承臺表面轉(zhuǎn)移至內(nèi)部，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 第一層混凝土應(yīng)力場分布

圖6 第二層混凝土應(yīng)力云圖

開裂風(fēng)險點在于：

①澆筑第一層承臺后期，受混凝土收縮和封底混凝土約束的影響導(dǎo)致內(nèi)部拉應(yīng)力較大；

②在澆筑承臺第二層與塔座交接面處，因初期承臺放熱較快，內(nèi)表溫差較大導(dǎo)致表面拉應(yīng)力較大；

③計算澆筑間隔期為7 d，應(yīng)注意避免澆筑間隔期過長，引起基礎(chǔ)約束過大。

4 承臺溫度場監(jiān)測及分析

4.1 監(jiān)測結(jié)果與模擬對比

根據(jù)有限元分析確定可知，承臺第一層澆筑與封底混凝土交接面、第二層澆筑與塔座交接面處拉應(yīng)力較大。因此，第一次澆筑選擇測點為封底混凝土溫度最低點，混凝土中心點；第二次澆筑選擇測點為分層澆筑面溫度最低點，表面溫度最低點，混凝土中心點，測點溫度時程曲線如圖7所示。

圖7 測點的溫度時程曲線

4.2 數(shù)據(jù)分析

(1)最高溫度

由圖7可知，混凝土澆筑完成后的50 h，承臺溫度達(dá)到峰值。其中，在澆筑第一層混凝土?xí)r，絕熱溫升為38.2 ℃；在澆筑第二層混凝土?xí)r，絕熱溫升為39.5 ℃，均滿足規(guī)范要求。表明本方案中所采用的混凝土配合比可有效控制大體積混凝土所產(chǎn)生的水化熱；有限元得出承臺內(nèi)部最高溫為65.8 ℃，兩者結(jié)果相差不大，表明有限元模擬結(jié)果可用于預(yù)測施工的實際情況。

(2)降溫速率和內(nèi)表溫差

通過圖7(a)和(b)對比可知，由于兩者澆筑厚度不同，第二層混凝土降溫速率略快于第一層的降溫速率。從內(nèi)表溫差來看，第一層混凝土在200 h時最大達(dá)到10.5 ℃，第二層混凝土在450 h時最大達(dá)到12.5 ℃，均滿足規(guī)范要求。表明通過覆蓋塑料薄膜并加蓋復(fù)合土工布的保溫措施可達(dá)到良好的溫控效果。

5 結(jié) 論

本文以平潭海峽公鐵兩用大橋為工程背景，對承臺混凝土溫控技術(shù)開展研究。同時，對有限元結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，得到了以下結(jié)論：

(1)由有限元計算可知，受封底混凝土和鋼吊箱影響，混凝土對溫度應(yīng)變更為敏感。特別是第一層與底層相交處及第二層與塔座相交處溫度裂縫的產(chǎn)生。

(2)通過監(jiān)測可知，承臺內(nèi)部最高溫度為64.5 ℃，有限元所得內(nèi)部最高溫為65.8 ℃，兩者結(jié)果相差不大，表明有限元模擬結(jié)果可用于預(yù)測施工的實際情況。

(3)所采用的混凝土配合比，冷卻水管布設(shè)方案和溫度控制措施，可有效降低混凝土所產(chǎn)生的水化熱，降低內(nèi)表溫差。可為類似工程項目提供參考和借鑒。