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某长江大桥承台大体积混凝土温度控制与分析
2017-07-31  中国桥梁网 分享到:
关键词:承台 大体积混凝土 温度控制 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,如大跨度桥梁的基础承台、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;其主塔墩下部结构基础为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安全。

   图1 承台构造示意图(单位:mm)

   2 有限元模拟

   2.1 基本计算参数

   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

   283 71 750 1126 170 2.83

   表2 C30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/

   9.7 2400

   1.0 35

   2.2 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则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。结果表明,无冷却水管降温的承台浇注后的最高温度达到44.77℃,表面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达到36.8℃,表面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,为达到温控标准的要求,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,选用坚固耐久、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)”的设计准则,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。在混凝土达到初凝后,必须立即用塑料薄膜和草袋覆盖,防止大风和阳光曝晒,使表面水分剧裂蒸发,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、表面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,一方面在混凝土表面盖一定厚度的湿麻袋,予以保温并避免表面水分的过快蒸发。

   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规范要求在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,通过分析比较,结果表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,满足规范要求。

   (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要影响。

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   [5]席华桥,邓波,占文. 江顺大桥南塔承台大体积混凝土温度裂缝控制[J]. 施工技术,2013(42):240-243
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