洪貴權(quán)

(佛山市建盈發(fā)展有限公司，廣東 佛山528000)

1 工程概況與氣象條件

三水三橋主橋設計全長518 m，跨徑布置為(52+56+72+338)m，雙向八車道，橋面全寬45 m，其中主跨跨越東平水道，設計采用混合梁獨塔斜拉橋(鋼箱梁+混凝土梁)(如圖1所示)，主塔高168 m，主跨鋼混結(jié)合面距主塔中心線11.5 m，箱梁截面采用整體式單箱三室。

圖1 主橋橋型立面圖(單位：cm)

33#主墩承臺采用整體式，高6 m，平面尺寸為56 m×27 m(橫×順)，橫橋向設橢圓端(長軸半徑13.5 m，短軸半徑5.5 m)，承臺設計混凝土強度等級為C40，方量8689.6 m3，鑒于主墩承臺混凝土澆筑方量大，施工方案擬分兩次澆筑完成，單次澆筑方量約4345 m3。

橋址位于廣東省佛山市三水區(qū)，地處亞熱帶地區(qū)，屬于亞熱帶季風氣候，氣候濕潤，雨量充沛，日照時間長，年平均氣溫21.4～21.9℃，最冷1月平均氣溫為12.9～13.5℃，極端最低氣溫為-2.6℃，最熱7月平均氣溫28.4～28.7℃，極端最高氣溫達38.7℃。年平均降雨量2200 mm，常規(guī)平均降雨量為1620～1650 mm，降雨天數(shù)為140～150 d，雨水集中在4～9月。冬季冷風南下，常形成5～7 級偏北風，最大風力出現(xiàn)在夏、秋臺風季節(jié)，風力一般在7級左右，本區(qū)域受臺風影響較大，最大風速達34 m/s，臺風常伴隨大雨或暴雨，臺風降雨量一般在200 mm，最大達400～500 mm，三水區(qū)往年月平均溫度如圖2所示，本工程區(qū)域基本不涉及冬季施工。

圖2 三水區(qū)往年月平均溫度圖

2 溫度與應力評價標準及控裂重難點

2.1 溫度與應力評價標準

大體積混凝土的溫度評價指標主要有入模溫度、內(nèi)部最高溫度、內(nèi)表溫差，依據(jù)有關(guān)規(guī)定[1-2]，本工程要求控制值范圍：①10℃≤入模溫度≤28℃；②混凝土內(nèi)部最高溫度≤75℃；③混凝土最大內(nèi)表溫差≤25℃。

本工程將混凝土溫度應力仿真計算值與容許應力參考值進行比較分析，以溫度應力仿真計算值不小于容許應力參考值為評價標準，綜合考慮應力值富余量對構(gòu)件安全性的影響。將混凝土抗拉強度參考值設為容許應力，并修正確定C40混凝土特定齡期容許應力參考值：3d/2.16MPa、7d/2.67MPa、28d/3.20MPa、180d/3.30MPa。

2.2 控裂重難點

(1)33#主墩承臺單次最大澆筑方量約4345 m3，C40混凝土為較高強度等級，混凝土絕熱溫升高，混凝土溫升控制不妥時，易因內(nèi)表溫差產(chǎn)生較大溫度應力而致使開裂[3]。

(2)橋址所在地氣溫較高、日曬時間長，澆筑量大、分層澆筑間隔時間較長時，會因?qū)娱g水分蒸發(fā)過快發(fā)生收縮開裂。

(3)33#主墩承臺施工日期為6月，是高溫期施工，混凝土入模溫度難以控制。

3 混凝土配合比及性能指標

33#主墩承臺混凝土設計采用C40，本工程混凝土配合比設計見表1。

表1 大體積混凝土配合比 (單位：kg/m3)

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)果見表2。其中：①混凝土彈性模量根據(jù)《大體積混凝土施工標準》附錄B“B.3 混凝土的彈性模量”進行計算[2]；②混凝土比熱、導熱系數(shù)根據(jù)《大體積混凝土溫度應力與溫度控制(第2版)》2.6 節(jié)“混凝土的熱學性能”進行計算[4]。

表2 混凝土物理熱學參數(shù)

4 主墩承臺仿真計算

4.1 承臺模型參數(shù)

構(gòu)件尺寸：主橋主墩承臺采用整體式，高6 m，平面尺寸為56 m×27 m(橫×順)，橫橋向設橢圓端(長軸半徑13.5 m，短軸半徑5.5 m)。約束條件：承臺封底采用C25混凝土，厚度3.5 m。分層分塊：承臺分兩次澆筑，每次澆筑高度3 m。按照構(gòu)件的對稱性，選取構(gòu)件混凝土1/4 進行溫度應力計算[5]，其計算模型見圖3。

圖3 主墩承臺大體積混凝土1/4網(wǎng)格剖分圖(含封底約束)

4.2 承臺邊界條件

33#主墩承臺大體積混凝土澆筑邊界條件如表3所示。其中，①入模溫度：33#主墩承臺于6月澆筑，是高溫期施工，按前述要求控制≤28℃。②環(huán)境溫度：參考橋址所在地佛山市三水區(qū)往年月平均氣溫，主墩承臺于6月施工，環(huán)境溫度按氣溫取值為29±3℃。③模板材質(zhì)：等效散熱系數(shù)根據(jù)《大體積混凝土溫度應力與溫度控制(第二版)》3.3 節(jié)“邊界條件的近似處理”進行計算[4]。

表3 大體積混凝土邊界條件

混凝土通過保溫層對空氣進行散熱的等效放熱系數(shù)βs，可由式(1)計算：

(1)

施工風速取4 m/s，光滑表面在空氣中的放熱系數(shù)βs=76.7 kJ/(m2·h·℃)；粗糙表面在空氣中的放熱系數(shù)β=82.2 kJ/(m2·h·℃)。

側(cè)面：為鋼模導熱系數(shù)λ=163.29 kJ/(m·h·℃)，求βs=76.6kJ/(m2·h·℃)。

分層面、永久暴露面：表面采取蓄水養(yǎng)護(蓄水15 cm)，水的導熱系數(shù)取λ=0.58×3.6 kJ/(m·h·℃)=2.09 kJ/(m·h·℃)，求得βs=11.9 kJ/(m2·h·℃)。

4.3 承臺仿真計算結(jié)果

4.3.1 溫度計算結(jié)果及分析

在上述設定工況計算條件，承臺內(nèi)部最高溫度與最大內(nèi)表溫差計算結(jié)果見表4，其計算值滿足2.1所確定的溫度控制標準。

表4 溫度計算結(jié)果

計算構(gòu)件內(nèi)部最高溫度包絡圖見圖4，可見構(gòu)件內(nèi)部溫度最高，且大于60℃占承臺總體積的41.5%，表面溫度較低，為29～33℃；因此在澆筑后溫度控制的重點為“外保內(nèi)散”，即內(nèi)部循環(huán)通水加速散熱(必要時可通冰水)，周邊與表面部位需增強保溫養(yǎng)護。

圖4 承臺混凝土內(nèi)部最高溫度包絡圖(溫度單位：℃)

選取承臺第一層表面N:6572點和中心N:8813點，得到溫度時程曲線見圖5a，選取承臺第二層表面N:18312點和中心N:26984點，得到溫度時程曲線見圖5b?？梢姵信_內(nèi)部溫度最高點出現(xiàn)在第三天，溫峰后內(nèi)部溫度降溫較慢，表面溫度降溫較快，內(nèi)表溫差持續(xù)增大。第二層承臺新澆筑的混凝土會引起第一層已澆筑混凝土溫度回升，此時可對第一層承臺內(nèi)部混凝土再次循環(huán)通水進行降溫。

(a)承臺第一層混凝土典型點溫度時程曲線

4.3.2 應力計算結(jié)果及分析

在上述設定工況計算條件下，承臺大體積混凝土特定齡期溫度應力計算結(jié)果見表5，可以看出，承臺混凝土各齡期溫度應力計算值均低于容許應力值，抗裂安全性符合標準。

表5 承臺溫度應力計算結(jié)果

承臺第一層與第二層混凝土各齡期應力場分布見圖6和圖7。由圖可看出，兩層承臺混凝土早期膨脹，3～7 d 應力發(fā)展迅速，主要表現(xiàn)在構(gòu)件上表面，是內(nèi)表溫差引起的拉應力[6]；后期混凝土產(chǎn)生收縮，7 d后有部分應力向構(gòu)件內(nèi)部轉(zhuǎn)移并隨時間逐趨于穩(wěn)定。因早期混凝土上表面與側(cè)面的內(nèi)表溫差較大會產(chǎn)生一定應力集中，應注意在3～7 d加強通循環(huán)冷卻水降低構(gòu)件內(nèi)部溫度與外露表面的保溫養(yǎng)護，使其內(nèi)表溫差降低，避免約束累積開裂。

(a)3 d應力場

(c)28 d應力場

(a)3 d應力場

5 結(jié)語

在參建各方的共同努力下， 33#主墩承臺歷時2個多月順利施工完成。通過現(xiàn)場溫度監(jiān)測，各層承臺的內(nèi)表溫度發(fā)展、溫峰出現(xiàn)日期與仿真計算結(jié)果基本吻合，采取“外保內(nèi)散”的溫控措施后，承臺表面混凝土未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫，達到了預期的效果。

本研究通過仿真計算三水三橋主墩承臺施工期大體積混凝土內(nèi)部溫度場與應力場，33#主墩承臺大體積混凝土內(nèi)部最高溫度66.4℃，最大內(nèi)表溫差20.5℃，均符合規(guī)定，承臺混凝土各齡期溫度應力計算值均在容許應力值范圍內(nèi)。同時，分析得出溫峰在第3 d出現(xiàn)，溫峰后內(nèi)部溫度降溫較慢，表面溫度降溫較快，內(nèi)表溫差持續(xù)增大；承臺上表面的應力在3～7 d發(fā)展迅速，7 d后部分應力開始向承臺內(nèi)部轉(zhuǎn)移；在早期承臺混凝土上表面與側(cè)面較薄弱，因內(nèi)表溫差較大產(chǎn)生應力集中，應注意在3～7 d加強循環(huán)冷卻水降低內(nèi)部溫度與外露表面的保溫養(yǎng)護，以此指導施工，防止構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，可為類似工程提供借鑒。