鄭華凱，劉 釗，唐 俊

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004； 2.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101100)

0 引言

懸索橋承臺將主塔承受的壓力傳遞至樁基礎(chǔ)，是大橋的重要分部工程。承臺屬于大體積混凝土，水泥水化過程中釋放的水化熱所產(chǎn)生的溫度變化和混凝土收縮、內(nèi)部累積的溫度應力大于材料本身的抗拉強度，均導致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。采用減小混凝土溫度收縮變形(提高體積穩(wěn)定性)、降低內(nèi)外約束的方式，從而避免結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)，抑制非結(jié)構(gòu)裂縫和裂紋[1]。大岳高速公路洞庭湖大橋、二道松花江特大橋、滬蘇通長江公鐵兩用大橋、南京長江五橋等均對承臺混凝土溫控措施進行了實踐探索并取得了有益實踐[2-7]。

龍?zhí)堕L江大橋主塔承臺采用優(yōu)化配合比減少水化熱、固化工藝工法、控制原材料溫度，配合實施溫控技術(shù)，有效抑制了裂縫和裂紋的出現(xiàn)和發(fā)展，提升了工程耐久性。

1 工程概況

龍?zhí)堕L江大橋為主跨1 560m懸索橋，承臺為啞鈴形，平面尺寸為33.5m(橫橋向)×40.5m(順橋向)，厚度為6m。兩承臺之間采用11.86m(橫橋向)×23.5m(順橋向)連梁，厚度為6m。承臺頂標高為6.000m，底標高為0.000。承臺混凝土澆筑量為15 937.3m3，強度等級為C40，為大體積混凝土，存在因水化熱發(fā)展導致開裂的可能性，需對其進行大體積混凝土溫控設(shè)計與控制，提升其控裂安全性，確保大橋施工安全性及有效使用壽命。基礎(chǔ)構(gòu)造平面如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)構(gòu)造平面(單位：cm)

承臺及塔座采用C40混凝土，配合比設(shè)計如表1所示?；炷凉ぷ餍阅芗傲W性能實測結(jié)果如表2所示。混凝土物理熱學參數(shù)根據(jù)混凝土配合比進行計算，線膨脹系數(shù)、泊松比根據(jù)經(jīng)驗取值，結(jié)果如表3所示。

表1 大體積混凝土配合比 kg·m-3

表2 大體積混凝土實測工作性能及力學性能指標

表3 大體積C40混凝土物理熱力學參數(shù)

2 計算分析

有限元模型結(jié)構(gòu)尺寸與實體尺寸一致，根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，取承臺混凝土1/2進行溫度應力計算，承臺底部基礎(chǔ)為砂巖，厚度取為3m作為約束條件，承臺分2次澆筑，第1，2層澆筑厚度均為3.0m。計算模型如圖2所示。

圖2 ANSYS承臺有限元模型

承臺混凝土共布設(shè)4層冷卻水管，上、下分層澆筑的混凝土分別縱橫交錯布設(shè)2層冷卻水管，水平管間距為100cm，高程分別為1.200，2.200，4.000，5.000m，水管距離混凝土表面/側(cè)面距離為50cm。每層均布設(shè)8根水管，每根水管設(shè)置1個進、出水口，長度均<200m。

計算風速取0.5～1.5m/s，粗糙表面在空氣中的放熱系數(shù)為43kJ/(m2·h·℃)。采用鋼模板施工，導熱系數(shù)為163.29kJ/( m2·h·℃)，模板及上表面保溫層采用5cm厚泡沫塑料板，導熱系數(shù)為9.6kJ/(m2·h·℃)，求得模板系統(tǒng)導熱系數(shù)為30kJ/(m2·h·℃)， 混凝土上表面導熱系數(shù)為35kJ/(m2·h·℃)。

冷卻水管為鋼管，外徑40mm、壁厚2mm。管內(nèi)水流速初步定為1m/s，冷卻水比熱容為4.2kJ/(kg·℃)， 密度為103kg/m3。初始水溫取20℃，之后隨混凝土內(nèi)部溫度的升高，冷卻水溫逐漸升高，在混凝土降溫階段，水溫也隨之降低，計算得到鋼管對流系數(shù)為967.13kJ/(m2·h·℃)。其他邊界條件如表4所示。

表4 承臺大體積混凝土邊界條件

承臺溫度變化曲線如圖3所示。由圖3可知，第1，第2層混凝土內(nèi)部溫度最高分別為60，58℃，最大溫差分別為23，20℃，均滿足要求。

圖3 承臺溫度變化曲線

混凝土應力如表5所示，由表5可知，第1，2層混凝土溫度應力均滿足應力要求。其中，應力較高位置主要集中于混凝土上表面外邊緣及側(cè)面。

表5 混凝土應力 MPa

3 工程措施

3.1 原材料控制

原材料進場嚴格執(zhí)行檢驗程序，除自檢外，還必須經(jīng)監(jiān)理工程師和中心實驗室抽檢合格，才能用于實體工程，采用雙摻技術(shù)優(yōu)化混凝土配合比。

3.2 降低入模溫度

提前1個月對混凝土原材料進行儲備降溫，每天早、中、晚對原材料溫度進行監(jiān)測，并計算混凝土理論出機溫度；增設(shè)2臺冷水機，制冷拌合用水至5℃左右；對罐車罐體采用保溫篷布包裹，降低混凝土運輸過程中升溫速度；加強混凝土入模溫度監(jiān)測，經(jīng)現(xiàn)場實測，混凝土入模溫度控制在16～25.3℃。

3.3 施工工藝控制

承臺施工定人、定崗、定設(shè)備，梳理工序，形成固化工藝流程。采用2臺泵車進行均勻布料，避免振搗棒趕料現(xiàn)象；嚴格控制混凝土坍落度在180～200mm；在冷卻水管附近鋼筋上進行位置標識，避免施工過程中，布料、振搗施工撞擊冷卻水管；溫控小組每間隔2h采集1次監(jiān)控數(shù)據(jù)，并及時發(fā)布溫控指令；上部抹面完成后進行灑水保濕后覆蓋塑料薄膜和土工布，上部再覆蓋1層油布，養(yǎng)護過程中禁止過量灑水否則會導致積水。

3.4 循環(huán)冷卻水

每層獨立設(shè)置冷卻水管循環(huán)管路，在進水管位置增設(shè)增壓泵、水表，確保水流速滿足溫控要求。獨立設(shè)置進、出水水箱，2個水箱間設(shè)置連通閥，方便水溫調(diào)節(jié)；根據(jù)溫控指令要求，及時對混凝土進行保濕、保溫覆蓋及冷卻水溫度、流速調(diào)節(jié)。

在冷卻水管安裝完成后，及時進行通水試驗，通水流速為2m/s，通水時長為15min，在混凝土澆筑至距冷卻水管約10cm時，再次進行通水檢測，確保無漏水。

3.5 保溫養(yǎng)護

混凝土澆筑完成后在側(cè)面鋼模上覆蓋1層彩條布和1層油布，表面初凝后收面次數(shù)≥3次，并灑水養(yǎng)護，覆蓋1層塑料薄膜進行保濕并覆蓋1層土工布和1層油布進行保溫，后期氣溫降低增加泡沫保溫板及棉被覆蓋。在澆筑完成后的前3d，由于混凝土強度較低，應盡可能避免掀開覆蓋層。后期施工時應集中在晴天的中午，分塊掀開保溫層并在施工后及時復原保溫措施。

3.6 布設(shè)抗裂鋼筋網(wǎng)

承臺側(cè)面和頂面布設(shè)φ8@10cm×10cm鋼筋網(wǎng)，距離混凝土外表面3.5cm，以抑制溫度收縮和干縮裂縫。

4 現(xiàn)場檢測及結(jié)果分析

4.1 測點布置

1)測溫點平面布置 如圖4所示，在左、右幅對稱軸上設(shè)置測溫點，順橋向承臺軸線上布置5個測溫點，測點間距約10m，橫橋向承臺軸線上布置10個測溫點(左、右幅分別設(shè)置5個測溫點)，測點間距約8.5m，邊緣處的測溫點距離表面50mm。在每個半幅的1/4面的中部設(shè)置1個測溫點，編號為Z1，Z2，并在邊緣處各設(shè)置1個測溫點，編號為J1，J2。

圖4 承臺測點平面布置(單位：cm)

2)測點斷面布置 每層混凝土澆筑厚度為3m，因此，沿厚度方向布置測溫點以監(jiān)測縱向溫度梯度及其變化情況?？紤]到本工程縱、橫向?qū)ΨQ，將斷面測點情況分為3種，分別為5測點、3測點和1測點，如圖5所示。

圖5 承臺測點斷面布置(單位：cm)

4.2 溫控結(jié)果對比

承臺混凝土外表面的X1-上，X1-中，X2-上，X3-上4個測點的溫度計算值和實測值對比如圖6所示。由圖6可知受限于測量方法和周圍環(huán)境，實測值波動較大。溫度變化的計算值和實測值存在一定差異，這是因為外表面受保溫措施和外界環(huán)境影響較大，且計算值采用的混凝土入模溫度為28℃，而實際入模溫度為23℃，但兩者變化趨勢基本相同。整體來看，表面溫度的計算值和實測值基本一致，結(jié)果合理。

圖6 承臺混凝土外表面計算溫度與實測溫度對比

承臺混凝土內(nèi)部X2-中，X3-中溫度變化的計算值和實測值對比如圖7所示。由圖7可知，兩者溫度變化趨勢存在一定差異，實測中混凝土前期的溫度上升較快，且溫度峰值后下降較慢，主要是由于冷卻水溫度不同導致，實際澆筑中冷卻水采用循環(huán)水，溫度隨時間而升高。在計算中未考慮到水溫的動態(tài)變化，冷卻水溫較實際水溫偏低，導致計算中混凝土內(nèi)部升溫慢、降溫快，但計算和實測結(jié)果均符合安全規(guī)范要求。

圖7 承臺混凝土內(nèi)部計算溫度與實測溫度對比

4.3 裂縫統(tǒng)計

承臺澆筑完成2個月內(nèi)，持續(xù)對承臺上表面裂縫、裂紋進行統(tǒng)計，共4條裂縫、裂紋，長度均<1 650mm， 寬度<0.04mm，深度<29mm。未發(fā)現(xiàn)有害裂縫，非結(jié)構(gòu)裂、縫裂紋數(shù)量極少，抗裂效果明顯。

5 結(jié)語

龍?zhí)堕L江大橋主塔承臺采用ANSYS有限元軟件模擬的計算溫度和應力均能有效指導施工，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與溫控仿真結(jié)果一致性較強，持續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)，該分項工程抗裂性能突出，有助于提升耐久性和延長全生命周期。目前，該溫控技術(shù)及防裂措施應用于塔座及塔柱實心段、錨碇基礎(chǔ)填芯及頂?shù)装逯校〉昧肆己眯Ч?/p>