甬江特大桥大体积混凝土施工控制__墨水学术,论文发表,发表论文,

所属栏目：交通运输论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:434

副标题#e#摘要：随着交通事业的飞速发展和桥梁技术的日益进步，现代桥梁逐渐向大跨度方向发展，大体积混凝土在桥梁结构中的应用越来越多，而且主要应用于重要受力结构，相应暴露出来的问题也越来越多，其中大体积混凝土的温度裂缝问题尤为突出，温度裂缝的产生对结构的承载力、防水性、耐久性都产生很大的影响。本文结合甬江特大桥主塔承台的施工，着重介绍大体积混凝土施工温度裂缝的控制。
　　关键词：大体积混凝土温度裂缝施工控制
　　
　　0．引言
　　大体积混凝土由于水化热作用，混凝土浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段，在这三个阶段中混凝土的体积亦随之伸缩，若混凝土体积变化受到约束就会产生温度应力，如果某时的温度应力超过混凝土在该时的抗裂能力，混凝土就会开裂。
　　大体积混凝土结构断面尺寸大，混凝土浇筑后由于水泥的水化热，内部温度急剧上升，此时混凝土弹性模量很小，徐变大，升温引起的压应力并不大；但在日后温度逐渐降低时，混凝土弹性模量比较大，徐变较小，在结构及边界条件的约束作用下将会产生相当大的拉应力。混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压的1/10左右，拉伸变形能力也很小。当温度变化时，混凝土所受的拉应力超过其抗拉应力就会开裂，产生温度裂缝。另外，大体积混凝土结构在施工期间，外部环境气温的变化对大体积混凝土裂缝的产生也起着很大的影响。若外部环境气温越高，则混凝土的浇筑温度将会越高，混凝土内部温度也会越高；若外部环境气温下降过快，将会造成很大的温度应力。
　　由于大体积混凝土有以上的自身结构特点，国内外工程经验表明，要防止大体积混凝土出现危害性温度裂缝，既有可能，又很不容易，需要精心设计、精心施工。
　　1．工程概况
　　甬江特大桥为双菱形联体索塔四索面边箱形钢——混凝土叠合梁斜拉桥，全桥设双塔（D2、D3主塔），塔型采用双菱形联塔，主塔基础为2.2m大直径钻孔灌注桩，实体钢筋混凝土承台。主塔承台为矩形，结构尺寸为62.0×33.0×5.5m（厚），采用C35海工耐久性混凝土，单个承台混凝土总量11253m3，单个承台钢筋总量1216t，属于典型的大体积混凝土结构。为防止温度裂缝，保证工程质量，必须进行温控计算与温控设计，根据计算结果制定温控标准，施工时采取合理的温度控制措施，并进行温控监测。
　　
　　图1-1主塔承台一般构造图
　　由于主塔承台混凝土体积大，为减小混凝土内外温差，有效防止温度裂缝的产生，将整个承台混凝土沿水平方向整体浇筑不设后浇段，沿高度方向分为2层进行施工，第一层浇筑厚度3.0m，凝土浇筑量6138m3，第二层浇筑厚度2.5m，凝土浇筑量5115m3，两层之间的浇筑间歇期13～18天。
　　2．气象条件
　　表2-1累年月平均气温
　　月份    1    2    3    4    5    6    7    8    9    10    11    12
　　气温    5.3    5.9    9.2    14.5    19.3    23.5    27.8    27.6    23.9    19.1    13.6    7.8
　　年平均降雨量为1400~1600毫米，雨量主要集中在3~6月份的梅雨季节和8~9月份的台风季节，冬季雨量较小，深秋、初东季节常有雾。
　　表2-2累年月降水天数
　　月份   #p#副标题#e# 1    2    3    4    5    6    7    8    9    10    11    12
　　降水天数    11.8    13.2    17.9    16.9    16.9    17.5    12.4    14.3    13.1    10.3    8.7    8.0
　　工程影响区附近气象站各月累年平均风速在2.6~5.2m/s之间，风速的月季变化不大，上半年风速略大于下半年。累年最大风速在22~40m/s之间，均出现在8月份，而累年极大风速则可达32~58m/s，也主要出现于7、8月份，都受热带气旋影响所致。
　　综上所述，在10月下旬混凝土浇筑时气温在20℃左右，月降水天数为11天左右，有出现龙卷和雷暴天气的可能。
　　3．温控设计
　　3．1模型参数
　　1)    根据主塔承台的结构对称性，取1/4模型进行三维有限元剖分计算。承台计算网格剖分图见图3-1。
　　
　　图3-1承台1/4网格剖分图
　　2)    拟在10月下旬浇筑D3主塔承台第一层混凝土，承台浇筑温度可控制在30℃以下。
　　3)    承台混凝土受66根Φ2.2m钻孔灌注桩和垫层混凝土的约束，估算基础弹模为3.0×104MPa。
　　4)    计算时考虑混凝土施工边界条件，承台侧面考虑处于地面线以下，风速较小，顶面考虑覆盖塑料薄膜加土工布保温、保湿。经热工计算侧面等效散热系数取为1268kJ/（m2•d•℃），顶面等效散热系数取为985kJ/（m2•d•℃）。
　　5)    考虑冷却水管通水降温效果。
　　6)    参考气候资料，平均风速按5m/s考虑。
　　7)    计算时考虑徐变对混凝土应力的影响，按经验，混凝土的徐变数值模型如下：
　　C(t,τ)=0.333×10-4(0.30＋4.38/τ)(1-e-0.25(t-τ))+0.333×10-4(0.252＋2.04/τ)(1-e-0.018(t-τ))
　　其中：C(t,τ)—徐变度(1/MPa)；t—混凝土龄期（d）；τ--徐变加荷龄期（d）。
　　8)    混凝土物理热学参数取值见表3-1，混凝土导热系数估算为206.35kJ/(m•d•℃)。
　　图3-1混凝土物理、热性能参数
　　混凝土
　　等级    弹模增长指数    最终弹模
　　（MPa）    热胀系数
　　(1/℃)    比热
　　(kJ/kg.℃)    混凝土绝热温升(℃)
　　C35    0.17    3.8×104    8.1×10-6    1.1    36.4
　　9)    混凝土劈裂抗拉强度。
　　表3-2混凝土劈裂抗拉强度（MPa）
　　龄期（d）    3    7    28
　　C35砼    1.4    2.1    3.2
　　3．2仿真计算
　　基于施工配合比进行仿真计算，最高温度包络图见图3-2，温度应力计算结果见表3-2。
　　承台第一层内部最高温度为61.1℃，第二层内部最高温度为61.0℃，温峰出现在2～3天龄期时。
　　
　　图3-2承台#p#副标题#e#最高温度包络图
　　表3-2承台温度应力场（MPa）
　　    3d    7d    28d    一年
　　承台第一层    1.19    1.13    2.10    2.18
　　承台第二层    1.12    1.06    1.45    1.36
　　最小安全系数    1.18    1.86    1.52    1.48
　　从表3-2温度应力数据分析，主塔承台混凝土温度拉应力均小于混凝土相应龄期的抗拉强度，但早期安全系数相对较小，危险点主要是在早期，因此必须充分重视前7d的表面保温和养护，严格执行温控标准和温控措施。
　　4．温控标准
　　根据仿真计算结果，结合已有经验与现场实际情况，按照施工工艺流程，从配合比优化到混凝土养护完成提出以下控制要求。
　　4．1混凝土性能与工艺要求
　　1)    C35混凝土绝热温升小于36.4℃；
　　2)    C35混凝土28天劈裂抗拉强度大于3.2MPa。
　　3)    水泥温度不宜高于60℃；
　　4)    混凝土入仓温度不宜高于30℃；
　　5)    混凝土施工前，应进行计量标定，称料误差符合规范要求，严格按确定的配合比拌制。
　　6)    混凝土按规定厚度、顺序和方向分层浇筑，在下层混凝土初凝前浇筑完上层混凝土。
　　4．2保温与养护要求
　　1)    内部最高温度不超过62℃，内表温差小于25℃；
　　2)    混凝土降温速率不宜大于3℃/d；
　　3)    淋注于混凝土表面的养护水温度与混凝土表面温度之差不应大于15℃；
　　4)    混凝土内部断面均温与环境温度之差小于20℃方可拆模。
　　5．温控措施
　　大体积混凝土温控施工贯穿了从混凝土的原材料选择、配比设计以及混凝土的拌和、运输、浇筑、振捣到通水、保温、养护等全过程，是一个系统工程，需要各个施工环节精心组织，紧密配合才能达到良好的控制效果。
　　根据计算结果与温控标准，结合现场实际情况，拟采取控制温度应力的主要措施有：①优化混凝土配合比设计；②控制混凝土的浇筑温度；③确保冷却水管散热的持续性、稳定性和及时性；④控制早龄期内表温差。
　　5．1优化混凝土配合比
　　大体积海工耐久性混凝土除混凝土各项性能要满足设计和施工要求外，要充分考虑大体积混凝土的特点，减少混凝土产生裂缝的因素。承台大体积海工耐久性混凝土采用大掺量矿物掺合料、低水胶比的技术路线，选用粒径大、强度高、级配良好的骨料和优质的高效缓凝减水剂，尽量降低胶材用量、水泥用量和用水量，以降低混凝土的绝热温升、提高混凝土的体积稳定性和抗开裂能力。
　　在满足规范要求的前提下，胶凝材料总用量越少越好，粉煤灰和矿粉的取代量越多越好。在已确定C35海工耐久性混凝土配合比参数的基础上，通过对粉煤灰和矿粉不同掺量的混凝土配合比优化试验，依据主塔承台海工耐久性混凝土主要技术指标，优选出混凝土施工基准配合比如表5-1。
　　表5-1施工基准配合比
　　总胶材(kg/m3)    水泥用量
　　(kg/m3)    粉煤灰
　　(kg/m3)    矿渣粉
　　(kg/m3)    砂
　　(kg/m3)    碎石
　　(kg/m3)    水
　　(kg/m3)&nb#p#副标题#e#sp;   减水剂
　　（%）
　　                            
　　415    166/40    166/40    83/20    693    1083    145    1.1
　　
　　5．2控制浇筑温度
　　控制混凝土的浇筑温度对控制混凝土的温度裂缝非常重要，浇筑温度直接影响混凝土的内部温度。相同混凝土，入模温度高的温升值较入模温度低的温升值高许多。在混凝土浇筑之前，通过测量水泥、粉煤灰、砂、石、水的温度，可估算出混凝土的浇筑温度。若浇筑温度不符合温控标准要求，则必须采取相应措施。
　　根据历年10月份工程影响区气象条件，为控制混凝土浇筑温度，施工现场采取的措施主要有：
　　1)    联系水泥厂商，提前对水泥储存降温，确保水泥在使用前已经充分冷却。
　　2)    粗、细骨料搭设标准料棚，减少阳光对骨料的辐射，在对骨料覆盖遮阳的同时堆高骨料、底层取料。
　　
　　图5-1标准料棚
　　3)    选择合理的浇筑时间，选择气温较低的日子施工，同时安排每一浇筑层的中下部混凝土在夜间或早上浇筑，表面在白天浇筑。
　　4)    优化混凝土泵送管道布置，减少管道的长度，加快混凝土的运输和入仓速度，减少混凝土在运输和浇筑过程中的温度回升。
　　5．3确保冷却水持续稳定
　　为保证初期降温效果，根据混凝土内部温度分布特征及控制最高温度的要求，单个承台埋设六层冷却水管，水管水平和垂直间距为0.8m，冷却水管内径为40mm，冷却水管采用橡胶管可靠套接，且单根冷却水管长度不超过200m。
　　优化冷却水管管路布置同时，必须合理选择通水设备，确保冷却管通水的持续性、稳定性和流量调节的及时性，主塔承台顶面标高较地面标高低约80cm，经多方案比选，结合冷却水管中冷却水的流速、流量，由流体力学计算，最终选用水箱与分水器相结合的方式，水箱采用内径2.5m高7.5m的钢护筒改制而成，为独立控制每套冷却水管的通水流量，每套冷却水管进水口均安装单独的控制阀门，并对每套冷却水管逐一编号。选用水箱与分水器组合方式，不但能够确保供水量，而且能有效避免由于水泵故障而造成的通水间断或流量减小。
　　
　　图5-2水箱及分水器
　　冷却水管施工完成后浇筑混凝土前通过1h左右的通水试验，检验冷却水管的畅通情况，避免冷却水管的漏水、阻水。混凝土浇筑到各层冷却水管标高后即开始通水，各层混凝土峰值过后依据温控监测结果调节水流量或停止通水，在冷却水管通水期间，委派专人管理冷却水流量及进水口水温。升温时段冷却水流速达到0.65m/s以上，流量大于45L/min，形成紊流；降温时段，通过控制阀门减缓通水，使流速减半，水流平缓，以层流冷却混凝土。
　　5．4控制内表温差
　　混凝土的内部温度是由起始浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度（含冷却水所携带的温度）等各种温度的叠加组成。而混凝土的表面温度则与外部环境气温和保温措施直接相关，如果混凝土表面温度较低或降温过快，都将加大内表温差，造成很大的温度应力，极其容易引发混凝土的开裂。因此，要控制混凝土内表温差处于温控标准内，必须有效做到混凝土热量的“外保内散”，“外保”即在混凝土浇筑后采取可靠的养护措施，加强混凝土表面的保温和保湿，而“内散”则是在内部混凝土升温时加强散热，如加大通水流量、流速，降低通水温度。
　　对于低水胶比又#p#副标题#e#掺有大量矿物掺合料的大体积海工混凝土，充分的养护措施显得尤其重要。根据累年气象资料，主塔承台混凝土浇筑期间降水较多，有出现气温较低或突遇大风降温天气的可能。因此，混凝土浇筑完成后立即在承台与围堰钢管桩之间采用土工布覆盖保温，减少承台混凝土侧面的热量散失。待混凝土初凝后立即在上表面采用土工布覆盖保温，并采用冷却水管出水口的温水进行养护，始终保持混凝土表面处于湿润状态。而对于承台顶面（永久外露面）在混凝土初凝收面后，立即覆盖塑料薄膜进行保湿，而后在塑料薄膜上覆盖土工布保温，人工直接洒水易造成混凝土表面干湿循环，产生干缩裂缝。
　　混凝土内部断面均温与环境温度之差小于温控标准后即开始拆模，拆模时间选择在一天温度较高的时刻。在承台侧模拆除后，尽快对施工基坑进行回填，利用地下恒温保护承台混凝土，避免温度裂缝的产生。
　　5．5其他
　　在混凝土浇筑过程中，严格布料顺序，控制分层厚度，加强振捣，提高混凝土自身的均匀性和抗裂性，也是控制混凝土温度裂缝的重要措施。
　　6．温控监测
　　温控监测主要是混凝土的温度测量，即在混凝土中埋入一定数量的测温元件，测量混凝土不同部位的温度变化过程，及时掌握温控信息，检验不同时期的温度特性、温差标准和施工质量。当温控措施效果不佳，达不到温控标准时，可及时采取补救措施；当混凝土温度远低于温控标准时，则可减少温控措施，避免浪费。
　　在检测混凝土温度变化的同时，还应监测气温、冷却水管进出口水温、混凝土入仓温度等。
　　6．1温控监测设计
　　测温元件的布点应按照突出重点、兼顾全局的原则，在满足监测要求的前提下，以较少的测温元件获得所需的监测资料。
　　根据主塔承台的对称性和温度变化的一般规律，测温元件主要布置在相互垂直的两个中心断面上，每个中心断面又以其中的半个断面为重点，即在承台沿桥中心线对称的一侧布设测点。测温元件在每层混凝土接近中心线上布置，该区域能够代表整个混凝土断面的最高温度分布。在平面内，由于靠近表面区域温度梯度较大，因此测点布置较密，而中心区域混凝土温度梯度较小，因此测点布置减少。主塔承台混凝土中布设4层测点，共60个，测点面设如图6-1、图6-2所示。
　　
　　图6-1承台测温点平面布置图
　　
　　图6-2承台测温点立面布置图
　　6．2温控监测结果
　　图6-3～图6-6给出了D3主塔承台各层测点的典型温度变化曲线，从监测结果看，温度监测值有很好的规律性，正确地反应了混凝土的实际温度，为指导温度控制，保证承台质量提供了科学依据。
　　
　　图6-3D3主塔承台第一层监测元件温度曲线
　　
　　图6-4D3主塔承台第二层监测元件温度曲线
　　
　　图6-5D3主塔承台第三层监测元件温度曲线
　　
　　图6-6D3主塔承台第四层监测元件温度曲线
　　6．2．1温度特征值
　　从测温结果看，承台混凝土内部最高温度第一层为52.3℃，第二层为56.8℃，第三层为45.7℃，第四层为49.2℃；混凝土最大内表温差第一层为14.2℃，第二层为16.4℃，第三层为14.9℃，第四层为20.5℃，均在控制范围之内。
　　6．2．2各层测点区域断面平均温度变化规律
　　从两次浇筑的温度变化曲线图可以看出，一般早期温升较快，在3-4天达到最高温度即开始下降，降温期的主要特点是：总体降温速率慢，早期（10天左右）降温速率稍快，至15～20天左右降温速率逐渐减小，达到准稳定态。期间测点区域第二层混凝土受第三、四层的影响。
　　6．2．3内表温差变化规律
　　从承台4层温度曲线图可以看出，因为混凝土表面点受外部环境气温影响，表面点降温速度比内部降温速度快，所以内表温差随断面均温升高不断扩大。内表温差早期下降快，后期下降缓慢，并且在气温较低时出现反弹，且两层混凝#p#副标题#e#土在测温后期出现不同程度的内表温差反弹，这是因为施工期间出现一次寒潮，使表面点降温速度超过内部降温速度，引起内表温差反弹。但现场采取了保温措施，内表温差始终控制在许可范围内，并在反弹后缓慢回落。实际测量显示测温结束时，各测点区域温差稳步下降，温度分布均匀。
　　6．3温控监测效果
　　从温度特征值看，承台混凝土的内部最高温度、最大内表温差均满足温控设计提出的温控标准。内部最高温度56.8℃，较温控标准低5.2℃；最大内表温差20.5℃，较温控标准低4.5℃。温控监测为施工及时提供了温度信息，对及时改进温控措施、确保温控标准、防止裂缝等发挥了重要作用，达到了温控监测目的。
　　从防裂效果看，从2008年11月到2009年4月，历经多次寒潮的袭击，主塔承台未出现裂缝，根据温度应力的变化规律，以后再产生温度裂缝的可能性已很小。说明主塔承台的温度控制是成功的，施工中采用的温控措施是合理的、适用的、有效的，取得了显著的防裂效果，保证了混凝土的质量。
　　7．结语
　　综上所述，虽然大体积混凝土容易产生温度裂缝，但只要在混凝土施工控制中合理选择混凝土原材料、优化施工工艺、加强混凝土养护，充分考虑温度裂缝产生的各项影响因素，并在施工过程中严格执行温控措施，完全可以控制大体积混凝土温度裂缝的产生。
　　
　　参考文献
　　1、工程结构裂缝控制北京：中国建筑工业出版社1997王铁梦
　　2、大体积混凝土温度应力与温度控制北京：中国电力出版社1998朱伯芳
　　3、桥梁深水桩基础施工关键技术北京：人民交通出版社2006欧阳效勇，任回兴，徐伟
　　4、润扬长江公路大桥建设——斜拉桥北京：人民交通出版社2005欧庆保
　　5、苏通大桥南主塔墩承台温控计算与监测《现代交通技术》2006管义军