基金項(xiàng)目：

廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)提升能力提升項(xiàng)目“基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的鋼筋混凝土空心墩抗震性能研究”（編號(hào)：2023KY1161）

作者簡(jiǎn)介：

李 成（1989—），碩士，講師，研究方向：橋梁養(yǎng)護(hù)與加固。

摘要：文章以某連續(xù)剛構(gòu)橋大體積承臺(tái)為工程背景，從設(shè)計(jì)承臺(tái)混凝土合理配合比、合理布置混凝土內(nèi)冷卻管、控制混凝土內(nèi)冷卻管水流速度等方面，介紹了大體積承臺(tái)一次澆筑成型溫度控制措施，并對(duì)承臺(tái)混凝土溫度進(jìn)行模擬計(jì)算與監(jiān)測(cè)分析。結(jié)果表明：大體積承臺(tái)冬季一次澆筑成型采用溫控技術(shù)措施，其內(nèi)部最高溫度未超過(guò)規(guī)范限值，內(nèi)外溫差基本滿足要求，混凝土外觀光滑未出現(xiàn)溫度裂縫，控制效果較好，為大體積承臺(tái)冬季一次澆筑成型提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：大體積承臺(tái)；混凝土；一次澆筑成型；溫度控制

中圖分類號(hào)：U443.25文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 25 081 4

0 引言

橋梁承臺(tái)冬季施工因混凝土內(nèi)外溫差引起的裂縫不是單純的結(jié)構(gòu)理論問(wèn)題，而是涉及材料學(xué)、構(gòu)造設(shè)計(jì)、控制理論和施工工藝等方面的綜合科學(xué)問(wèn)題。因此，必須對(duì)大體積混凝土的內(nèi)外溫差進(jìn)行有效的控制，使之不出現(xiàn)有害溫度裂縫來(lái)確保大體積混凝土的施工質(zhì)量。以往，橋梁承臺(tái)這種大體積混凝土在冬季施工往往采用C30或C35進(jìn)行分層澆筑，且每一層都設(shè)置冷卻管，再通過(guò)溫控措施控制其內(nèi)外溫差［1］，但分層澆筑施工繁瑣，影響工期；隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，考慮到結(jié)構(gòu)的耐久性，大體積混凝土采用高標(biāo)號(hào)混凝土的情況越來(lái)越普遍。橋梁承臺(tái)作為一種常見(jiàn)的大體積混凝土構(gòu)筑物，需要在冬季澆筑全過(guò)程實(shí)施溫度控制，防止承臺(tái)產(chǎn)生溫度裂縫，對(duì)保障大體積承臺(tái)冬季一次澆筑成型質(zhì)量具有重要的意義。

1 工程概況

某跨鐵路特大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為65 m+120 m+65 m雙幅連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋上部結(jié)構(gòu)采用單箱三室變截面箱梁連續(xù)剛構(gòu)?？刂茢嗝媪焊撸褐虚g支點(diǎn)處為7.5 m，邊跨直線段及主跨跨中處為3.0 m，其高跨比為1∶16.0。其中4#、5#橋墩為主墩，采用雙薄壁結(jié)構(gòu)，橋墩以下為承臺(tái)和樁基。承臺(tái)橫橋向×順橋向×厚度尺寸為25.6 m×11.6 m×4.0 m，單個(gè)承臺(tái)混凝土方量為1 187.84 m3，采用C40混凝土一次澆筑成型。該橋承臺(tái)的布置見(jiàn)圖1。

2 承臺(tái)混凝土溫控技術(shù)設(shè)計(jì)

承臺(tái)大體積混凝土在硬化過(guò)程中，由于水泥的化學(xué)反應(yīng)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，通常會(huì)經(jīng)歷升溫、降溫、穩(wěn)定三個(gè)階段。因此，混凝土的體積會(huì)根據(jù)熱脹冷縮原理隨之產(chǎn)生變化，而因冬季氣候原因，內(nèi)部和外表面溫差加大，內(nèi)外混凝土體積變化會(huì)不均勻，就會(huì)產(chǎn)生溫度拉應(yīng)力。而混凝土的抗拉應(yīng)強(qiáng)度極小，如果該溫度應(yīng)力大于其混凝土的抗拉強(qiáng)度，在混凝土表面就會(huì)出現(xiàn)明顯的裂紋，工程上稱之為溫度裂縫，溫度裂縫會(huì)影響承臺(tái)的耐久性。針對(duì)此類問(wèn)題，必須對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫控設(shè)計(jì)，本文從優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)以及合理設(shè)置冷卻管這兩方面來(lái)進(jìn)行溫控技術(shù)設(shè)計(jì)。

2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

該橋承臺(tái)施工期為南方的冬季，采用C40混凝土一次澆筑成型?；炷翗?biāo)號(hào)高且一次澆筑混凝土體積大，極易因承臺(tái)澆筑后內(nèi)外溫差過(guò)大而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，所以通過(guò)設(shè)計(jì)混凝土配合比減少混凝土水化熱，降低內(nèi)部溫度顯得尤為重要［2-3］。

粉煤灰是一種廉價(jià)建筑材料，且和混凝土混合后不影響混凝土的強(qiáng)度，在保證該承臺(tái)混凝土強(qiáng)度的情況下，可通過(guò)摻入一定比例粉煤灰［4］，適當(dāng)減少水泥用量，達(dá)到減少水化熱的效果，所以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比調(diào)試確定該承臺(tái)采用C40礦渣硅酸鹽水泥，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定的該橋承臺(tái)所用混凝土配合比如表1所示。

2.2 冷卻管設(shè)置

大體積混凝土硬化過(guò)程中會(huì)在內(nèi)部聚集大量水化熱，增大內(nèi)外溫差，所以大體積混凝土澆筑除了優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)來(lái)降低混凝土的水化熱外，還需降低承臺(tái)內(nèi)部溫度。工程上常采用設(shè)置冷卻管，在混凝土澆筑過(guò)程中和澆筑后通過(guò)持續(xù)通水來(lái)降低混凝土內(nèi)部溫度，縮小大體積混凝土內(nèi)外溫差，減少混凝土體積不均勻變化引起的混凝土外表面開(kāi)裂可能。傳統(tǒng)上是設(shè)置一根管彎曲布置在混凝土內(nèi)側(cè)，一個(gè)進(jìn)水口、一個(gè)出水口，而該橋主承臺(tái)體積大，且高度達(dá)到4 m，為了達(dá)到降溫效果，將冷卻管分4層進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，層間距為1 m，共設(shè)4個(gè)進(jìn)水口，8個(gè)出水口，這樣可以加快水通過(guò)冷卻管的效率，冷卻管采用外徑40 mm、壁厚2.5 mm的鋼管。該承臺(tái)的冷卻管布置詳見(jiàn)圖2。

3 模擬仿真分析

本文章采用Midas Civil軟件對(duì)承臺(tái)大體積混凝土進(jìn)行水化熱模擬計(jì)算。大體積混凝土澆筑后混凝土內(nèi)的溫度變化與混凝土配合比、混凝土的入模溫度、混凝土與外部的熱交換、內(nèi)部冷卻水管的布置等多種因素有關(guān)。此工程為對(duì)稱的立方體結(jié)構(gòu)，承臺(tái)平面尺寸為25.6 m×11.6 m，厚度為4.0 m，擬一次澆筑成型。為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，承臺(tái)按照1/2模型進(jìn)行計(jì)算。為了準(zhǔn)確模擬承臺(tái)向地基熱傳導(dǎo)過(guò)程，模型包括承臺(tái)部分以及包括地基部分，其中地基向承臺(tái)外拓展3 m的長(zhǎng)度，厚3 m，本文分別建了設(shè)置冷卻管和未設(shè)置冷卻管兩個(gè)模型進(jìn)行分析計(jì)算，來(lái)對(duì)比設(shè)置冷卻管對(duì)承臺(tái)溫度的降溫效果。承臺(tái)數(shù)值分析模型見(jiàn)圖3。

3.1 模型邊界及參數(shù)設(shè)置

承臺(tái)頂板和側(cè)面施加相應(yīng)的對(duì)流邊界，對(duì)流系數(shù)大小和風(fēng)速、保溫層以及模板有關(guān)。側(cè)面木模加泡沫板的對(duì)流系數(shù)采用8.8 kJ/（m2·h·℃），頂面塑料薄膜加30 cm厚溫水對(duì)流系數(shù)采用10.7 kJ/（m2·h·℃）。大氣溫度采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)最近氣溫情況取固定值20 ℃。地基上側(cè)面、底面以及除了和承臺(tái)接觸部分的頂面施加固定溫度，固定溫度取與大氣平均溫度一致，為20 ℃。承臺(tái)冷卻管水流速度以0.5 m/s進(jìn)行計(jì)算。其他模型參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 承臺(tái)一次澆筑水化熱分析計(jì)算

承臺(tái)一次性澆筑尺寸為25.6 m×11.6 m×4 m，通過(guò)Midas Civil軟件分析結(jié)果對(duì)比采取溫控措施和未采取溫控措施這兩種情況在1 000 h內(nèi)，各時(shí)間段混凝土溫度分布情況和應(yīng)力分布情況（見(jiàn)圖4、圖5），分析總結(jié)其水化熱溫度與應(yīng)力的關(guān)系，及其引起溫度裂紋的原因，為后期溫度監(jiān)控措施提供理論數(shù)據(jù)依據(jù)。

計(jì)算結(jié)果表明，未采取內(nèi)部冷卻管通水降溫措施，在第二、第三天，混凝土中心最高溫度將達(dá)到73.7 ℃，而后溫度逐漸降低，雖然最高溫度未超過(guò)規(guī)范規(guī)定值（規(guī)范要求＜75 ℃），但混凝土澆筑時(shí)間剛好在11月，大氣溫度平均為15 ℃，如果不采取溫控措施，里表溫差肯定超過(guò)規(guī)范值（規(guī)范要求＜25 ℃），進(jìn)而有可能會(huì)因內(nèi)外溫差過(guò)大導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂等問(wèn)題。采取溫控措施后，同樣也是在第2～3 d，混凝土中心的溫度最高達(dá)到60 ℃，相比于前者最高溫度下降了13.7 ℃，降溫效果良好。采取溫控措施后，承臺(tái)頂面拉應(yīng)力最大達(dá)到1.3 MPa，未超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

由模型分析可見(jiàn)：該大體積承臺(tái)一次澆筑采用“內(nèi)降外保”溫控措施后承臺(tái)中心處混凝土溫度可降低13 ℃，溫峰過(guò)后6 d的降溫速度約為2.09 ℃/d，前15 d的降溫平均速度約為1.17 ℃/d（規(guī)范要求＜2 ℃/d），且混凝土表面主拉應(yīng)力未超過(guò)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，滿足規(guī)范要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型分析結(jié)果，接下來(lái)將對(duì)承臺(tái)混凝土一次澆筑進(jìn)行監(jiān)控。

4 承臺(tái)溫度監(jiān)控措施

4.1 溫度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

主墩承臺(tái)共布置28個(gè)測(cè)點(diǎn)：進(jìn)水口1個(gè)測(cè)點(diǎn)；出水口2個(gè)測(cè)點(diǎn)；承臺(tái)內(nèi)25個(gè)測(cè)點(diǎn)。承臺(tái)內(nèi)部測(cè)點(diǎn)水平及豎向布置示意圖見(jiàn)圖6、圖7。安裝溫度傳感器時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整安裝位置，避免溫度傳感器太靠近冷卻管。

4.2 混凝土溫度控制及構(gòu)造措施

參照《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496-2009）并結(jié)合施工圖的要求，確定本承臺(tái)溫度控制指標(biāo)如下：

（1）混凝土澆筑塊體在澆筑入模溫度基礎(chǔ)上溫升值應(yīng)≤50 ℃；

（2）混凝土澆筑塊體的里表溫差（不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度）應(yīng)≤25 ℃；

（3）混凝土澆筑塊體的降溫速率應(yīng)≤2.0 ℃/d；

（4）混凝土澆筑塊體表面與大氣溫差應(yīng)≤20 ℃；

（5）內(nèi)部最高溫度宜≤75 ℃；

（6）冷卻管進(jìn)、出水溫差控制在＜15 ℃。

冬季大體積混凝土澆筑溫度控制要嚴(yán)格遵守“內(nèi)降外?！痹瓌t［5］，對(duì)該橋承臺(tái)混凝土澆筑采取以下構(gòu)造措施：側(cè)壁采用鋼模板、泡沫板保溫保濕外，還需要在承臺(tái)4個(gè)側(cè)面鋪墊棉被，這樣可以防止表面混凝土因冬季大風(fēng)造成表面干縮裂縫，同時(shí)還可以提升承臺(tái)結(jié)構(gòu)側(cè)面保溫效果；上表面待混凝土初凝后，覆蓋棉質(zhì)材料，同時(shí)在上表面覆蓋塑料薄膜，為防止表面溫度下降過(guò)快導(dǎo)致內(nèi)外溫差過(guò)大，需在上表面灌注一定厚度且溫度≥35 ℃的熱水，進(jìn)行保濕保溫養(yǎng)護(hù)。承臺(tái)外部保溫措施見(jiàn)下頁(yè)圖8。

5 溫控結(jié)果分析

根據(jù)各組測(cè)點(diǎn)15 d的監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制承臺(tái)內(nèi)5組測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線，因文章版面有限，只列出承臺(tái)中心部位P1測(cè)位處的溫度變化曲線以及該測(cè)點(diǎn)內(nèi)外溫差隨時(shí)間變化曲線。

由圖9、圖10可知：

（1）承臺(tái)中心P1測(cè)位的5個(gè)測(cè)點(diǎn)最高溫度在澆筑混凝土后的第2 d達(dá)到71 ℃，與模型理論計(jì)算的73.7 ℃相差2.7 ℃，這主要是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境有限，冷卻管通水采用水泵通水，通水速率不易控制。

（2）混凝土內(nèi)溫度最大升限為30 ℃，滿足規(guī)范要求的≤50 ℃?；炷羶?nèi)溫度在第3 d開(kāi)始下降，第3～7 d降溫速率＞2 ℃/d，主要是因?yàn)榛炷馏w積大，且現(xiàn)場(chǎng)通水條件有限，第7 d以后降溫速率＜2 ℃/d，滿足規(guī)范要求。承臺(tái)最大里表溫差為24.5 ℃，滿足規(guī)范要求（里表溫差應(yīng)≤25 ℃），這主要是因?yàn)榛炷翝仓?，現(xiàn)場(chǎng)采用了“內(nèi)降外?！贝胧炷羶?nèi)保持通水15 d。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，混凝土外表面未發(fā)現(xiàn)有裂紋，達(dá)到了控制效果。這是因?yàn)榛炷镣鈧?cè)面采用泡沫板保溫，混凝土頂采用棉被和溫水覆蓋防止熱量快速流失，這一措施保證了該承臺(tái)澆筑后里表溫差保持在一定范圍內(nèi)，防止溫差過(guò)大引起混凝土外表面開(kāi)裂。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)15 d針對(duì)承臺(tái)的溫度監(jiān)測(cè)和溫度控制，該橋承臺(tái)內(nèi)最高溫度、最大里表溫差滿足規(guī)范要求，其他各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足規(guī)范要求，承臺(tái)上表面和側(cè)面未發(fā)現(xiàn)裂紋，達(dá)到了控制效果，為主橋結(jié)構(gòu)安全提供了技術(shù)保障。

6 結(jié)語(yǔ)

該跨鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋大體積承臺(tái)冬季施工，具有一次澆筑體積大、承臺(tái)混凝土標(biāo)號(hào)高、現(xiàn)場(chǎng)條件有限等特點(diǎn)，通過(guò)事前合理布置冷卻管、模型分析對(duì)比［6］，事中控制混凝土的入模溫度、冷卻管水流速以及采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)和溫度調(diào)控技術(shù)，遵循大體積混凝土“內(nèi)降外?！痹瓌t，采用輔助措施，并在監(jiān)控過(guò)程中實(shí)時(shí)反饋、調(diào)整、養(yǎng)護(hù)，事后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析對(duì)比得出以下結(jié)論：

（1）大體積承臺(tái)冬季一次澆筑成型采用溫控措施，混凝土外觀質(zhì)量良好，未產(chǎn)生裂縫；混凝土內(nèi)部溫度在澆筑完第二天最大達(dá)到71 ℃（規(guī)范規(guī)定≤75 ℃）；承臺(tái)最大里表溫差為24.5 ℃（規(guī)范規(guī)定應(yīng)≤25 ℃），滿足要求。

（2）大體積承臺(tái)冬季一次澆筑成型溫控措施不能僅依靠單一的控制措施，澆筑前需要合理調(diào)整混凝土配合比，養(yǎng)護(hù)過(guò)程中要嚴(yán)格踐行“內(nèi)降外?！痹瓌t，現(xiàn)場(chǎng)承臺(tái)冷卻管持續(xù)通水，承臺(tái)側(cè)邊和上表面做好保溫措施。

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