摘 要：溫度應(yīng)力是影響大體積混凝土開裂的重要因素。本文采用有限元結(jié)構(gòu)軟件對(duì)太平湖大橋銅陵岸拱座進(jìn)行了混凝土施工期的溫度應(yīng)力初步分析, 分析中考慮了混凝土的彈性模量、徐變等參數(shù)隨齡期變化和分層澆筑對(duì)拱座溫度應(yīng)力的影響。提出了防止施工過程中由于外界溫度變化及水泥水化熱等因素引起裂縫的措施, 并通過部分監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)拱座溫度變化規(guī)律進(jìn)行了分析，為同類工程施工提供參考。

　　關(guān)鍵詞：拱座施工,水化熱,溫度應(yīng)力分析,溫度控制

　　水泥水化熱、外界氣溫、約束條件而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)溫度的變化和因此而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫的重要原因，溫度應(yīng)力主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)施工初期且寬度較大，分為由澆筑開始表面和內(nèi)部溫差引起的表面張拉應(yīng)力，以及當(dāng)混凝土澆筑完成后，水化熱引起的溫度先上升后下降帶來的收縮受到外界約束時(shí)的內(nèi)部張拉應(yīng)力，不但影響到結(jié)構(gòu)的承載力和設(shè)計(jì)效果，而且對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性也有重要影響[1~4]。因拱座是大跨徑鋼管混凝土提籃拱橋的重要受力部位，其施工的好壞直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力性能。本文對(duì)太平湖大橋拱座混凝土施工的溫度應(yīng)力、溫度控制措施、溫度控制檢測等問題進(jìn)行初步研究，得到了一些具有工程應(yīng)用價(jià)值的有效方法。

　　1 拱座施工概況

　　太平湖大橋是銅陵至湯口高速公路上的一座特大橋，位于太平湖柳家梁峽谷風(fēng)景區(qū)，橋梁全長504m，橋?qū)?0.8 m。其中主橋?yàn)橹谐惺戒摴芑炷�土提籃拱橋，計(jì)算跨徑336m，橫跨太平湖區(qū)。引橋?yàn)椴糠诸A(yù)應(yīng)力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁，計(jì)算跨徑20m，銅陵岸設(shè)4孔，湯口岸設(shè)3孔。太平湖大橋拱座采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，全橋共設(shè)四個(gè)分離式拱座基礎(chǔ)，同一岸的兩個(gè)基礎(chǔ)采用橫系梁連接，并設(shè)預(yù)應(yīng)力以克服拱座的橫向水平分力。因拱座體積比較大，為節(jié)約材料和減小水化熱，從拱腳截面到拱座底面分層采用了不同標(biāo)號(hào)的混凝土，由下至上分別為C20、C40和C50銅陵岸拱座基底標(biāo)高101.00m，基底尺寸18.601×18.111m，拱座高21.05m，體積5040.8 m3，基底巖層為弱風(fēng)化粉砂巖，容許承載力為1800KPa。湯口岸拱座基底標(biāo)高94m， 基底巖層為弱風(fēng)化粉砂巖，容許承載力為1000KPa，基底尺寸24.073×23.947m，拱座

　　高28.05m，體積10880.4 m3。拱座配置φ20、φ16的局部加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)和φ16的面層鋼筋網(wǎng)。

　　2 溫度應(yīng)力分析

　　通過MIDAS結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析得到各時(shí)間段的節(jié)點(diǎn)溫度分布以及材料隨時(shí)間變化的特性、混凝土隨時(shí)間變化的收縮、混凝土隨時(shí)間和應(yīng)力變化的徐變等參數(shù)，由于四拱座具有相似的施工特點(diǎn)，僅初步計(jì)算與分析太平湖大橋銅陵岸拱座各施工階段應(yīng)力。

　　2.1 計(jì)算條件與參數(shù)

　　根據(jù)銅陵岸拱座復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取全拱座模型進(jìn)行計(jì)算;為正確反應(yīng)結(jié)構(gòu)物的水化熱傳播過程，將基巖建成具有比熱和熱傳導(dǎo)率等特性的構(gòu)件，按強(qiáng)風(fēng)化巖考慮，其彈性模量取25GPa;由于銅陵岸拱座施工時(shí)大氣溫度全年平均氣溫為18.6℃。具體材料與基巖計(jì)算參數(shù)見表1。

　　2.2 離散模型

　　銅陵岸拱座混凝土經(jīng)過結(jié)構(gòu)離散，由10260個(gè)節(jié)點(diǎn)和10404個(gè)實(shí)體單元組成，結(jié)構(gòu)離散模型見圖2。混凝土按13層澆筑，澆筑厚度分別為1.4~3.5m不等，最大厚度3.5m為第一施工階段。通過有限元軟件模擬施工過程中結(jié)構(gòu)的逐步增長，相應(yīng)的計(jì)算模型和邊界條件逐漸改變的情況;考慮施工環(huán)境和施工措施的逐漸改變等。

　　在溫度場的計(jì)算過程中，水泥的水化熱作為主要溫度載荷施加在已激活的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。拱座混凝土的澆筑溫度場是瞬態(tài)的和有內(nèi)熱源的，主要的傳熱方式為熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。因熱輻射影響較小，忽略不計(jì)。根據(jù)實(shí)際施工狀況，模擬實(shí)際對(duì)流和熱生成情況，施加荷載，確定邊界條件。

　　2.3 初步計(jì)算結(jié)果與分析

　　混凝土澆筑后一般在3d 后即達(dá)到溫度峰值，溫峰持續(xù)8 h 后溫度開始下降，初期降溫速度較快，以后降溫速率逐漸減慢，至15～20d后降溫平緩，溫度趨于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。第一層混凝土內(nèi)部最高溫度約為58.7℃，第二層混凝土內(nèi)部最高溫度約為61.3 ℃。混凝土應(yīng)力計(jì)算顯示，混凝土應(yīng)力最大值出現(xiàn)在第一層中部和第二層中部偏下，根據(jù)離散模型分析，表2闡述了部分時(shí)間的主拉應(yīng)力計(jì)算值。

　　計(jì)算表明：拱座混凝土早期(14d 左右)最大溫度應(yīng)力約為0.613MPa，而C20混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度1.3~1.6 MPa ，抗裂安全系數(shù)K≈2.0，后期也有2.0以上的抗裂安全系數(shù)，同時(shí)表明，不同標(biāo)號(hào)混凝土因含水量差異后期拉應(yīng)力變化明顯，高標(biāo)號(hào)峰值后變小，低標(biāo)號(hào)反之。

　　3 施工溫度控制措施

　　配合比、水泥品種、溫控措施、施工時(shí)的外界溫度及塊體尺寸都直接影響大體積混凝土的溫度特性。

　　3.1 優(yōu)化混凝土配合比

　　降低水化熱溫升合理選擇級(jí)配良好的砂、石料，選擇優(yōu)良的混凝土外加劑，控制混凝土配合比，節(jié)約水泥用量，是降低混凝土內(nèi)部水化熱溫升的重要環(huán)節(jié)。

　　3.1.1混凝土的材料選擇

　　(1) 水泥。混凝土水化熱主要來自水泥膠凝材料。應(yīng)盡量選擇C3A、C3S含量少、水化熱低的礦渣水泥及中熱水泥。使用溫度不得超過50℃，否則必須采取措施降低水泥溫度。

　　(2) 砂石料。采用中粗砂，細(xì)度模數(shù)為2. 3～3. 1 ，屬Ⅱ級(jí)配范圍，含泥量≤2%，入場后應(yīng)分批檢驗(yàn)。石子顆粒級(jí)配為5～30mm連續(xù)級(jí)配或二級(jí)配。石子必須分批檢驗(yàn)嚴(yán)格控制其含泥量不超過1.5 %。

　　(3) 粉煤灰與外加劑。粉煤灰入場后應(yīng)分批檢驗(yàn)，質(zhì)量應(yīng)符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB1596 -91) 的規(guī)定。摻加緩凝型高效減水劑FDN-5。外加劑在使用前稱量分包，在混凝土攪拌過程中采用后摻。

　　3.1.2　混凝土配合比

　　混凝土初始坍落度控制在16～20cm ，初凝時(shí)間大于15h。施工采用配合比如表3。

　　3.2混凝土溫度估算

　　在每次開盤之前，試驗(yàn)室要量測水泥、砂、石、水的溫度，專門記錄，計(jì)算其出機(jī)溫度，并估算澆筑溫度，計(jì)算方法[5]如下：

　　(1)混凝土的出機(jī)溫度T0

　　T0 = (0. 20 + QS ) WS TS + (0. 20 + Qg) WgTg +0.20WCTC + ( WW - QSWS ) TW/ 0. 20 ( WS + WG + WC) +WW

　　(2)混凝土的澆筑溫度

　　Tp = T0 + ( Tn - t0) (θ1 +θ2 +θ3 +……+θn)

　　溫度估算的目的是現(xiàn)場控制溫度應(yīng)力，避免溫度裂縫。因此在大體積混凝土的施工中應(yīng)對(duì)混凝土的最高溫度和最高溫升進(jìn)行限制。要求混凝土內(nèi)部的溫度梯度緩和。一般應(yīng)對(duì)混凝土內(nèi)外溫差和相鄰層溫差進(jìn)行現(xiàn)場控制，并作為溫控的主要內(nèi)容。由于拱座混凝土的尺寸和所受約束各不相同，所以應(yīng)采取不同的溫控估算標(biāo)準(zhǔn)。溫控標(biāo)準(zhǔn)是由溫度和溫度應(yīng)力計(jì)算得出并在施工過程中進(jìn)行科學(xué)調(diào)整。

　　3.3 拱座混凝土的分層

　　為減少大體積混凝土水化熱而引起的收縮裂縫及根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工條件，需對(duì)拱座混凝土進(jìn)行分層澆筑。分層以冷卻管大致分布在每次所澆混凝土的中間及分層厚度不超過2m及分層混凝土方量不超過1000m3為原則。銅陵左右幅均分13層澆筑完成，最大層方量為634 m3。湯口岸拱座左右幅均分20層澆筑完成，最大層混凝土方量為921m3。

　　3.4 現(xiàn)場混凝土施工要求

　　混凝土按規(guī)定厚度、順序和方向分層澆筑，必須在下層混凝土初凝前澆筑完畢上層混凝土。混凝土分層澆筑厚度不宜超過0. 3 m ，并保持從倉面一側(cè)向另一側(cè)澆筑的順序和方向。嚴(yán)格按《混凝土結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》要求進(jìn)行層間水平施工縫處理。混凝土澆筑完畢后，自混凝土初凝以前應(yīng)進(jìn)行二次振搗。

　　3.5 混凝土的養(yǎng)護(hù)

　　從理論上分析，新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求而有余，但由于蒸發(fā)等原因常引起水分損失，從而推遲或妨礙水泥的水化，表面混凝土最容易而且直接受到這種不利影響。且拱座混凝土澆筑工期較緊，一般在下層混凝土溫度峰值剛過就接著本層的混凝土施工，各層混凝土澆筑間歇期僅控制在7天。這樣下層的混凝土溫度會(huì)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象且不易散失。在深基坑中的大體積混凝土工程采用蓄水養(yǎng)生容易浸泡坑壁，影響邊坡的穩(wěn)定，故可采用麻袋或草袋覆蓋混凝土表面并不間斷采用冷卻水管出水口溫水直接用于混凝土表面養(yǎng)生，以減少混凝土內(nèi)外的溫差。

　　3.6 通水冷卻

　　通水冷卻是從散熱降溫角度出發(fā)，即在混凝土內(nèi)部預(yù)埋水管，通入冷卻水，由此帶走混凝土內(nèi)部的部分熱量，以降低混凝土內(nèi)部的最高溫度。

　　3.6.1 冷卻水管的布置

　　根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度分布特征，在每層混凝土中埋設(shè)一層冷卻水管，冷卻水管為Φ42×2.5mm 的薄壁鋼管，其水平間距為1.182 m，冷卻水管距混凝土表面大于1.15 m，每根冷卻水管長度不超過200mm ，冷卻水管進(jìn)出口集中布置，以利于統(tǒng)一管理。冷卻水為江水或深井水，按照由熱中心區(qū)流向邊緣區(qū)的原則，進(jìn)水管口設(shè)在靠近混凝土中心處，出水管口設(shè)在混凝土邊緣區(qū)。圖3為冷卻水管布置圖：

　　3.6.2 冷卻水管的控制

　　冷卻管安裝時(shí)以鋼筋骨架和支撐桁架固定牢靠，以防止混凝土澆注時(shí)水管變形及脫落而發(fā)生堵水或漏水，并做通水試驗(yàn)。冷卻水管在該層開始澆注時(shí)開始通水，在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中對(duì)冷卻水進(jìn)出口溫差進(jìn)行同步監(jiān)控。通水流量應(yīng)達(dá)到25 L/ min，通水時(shí)間根據(jù)測溫結(jié)果確定。嚴(yán)格控制進(jìn)出水溫度，進(jìn)出水口溫差一般在15℃以內(nèi)，在通水冷卻過程中，始終要注意冷卻水的溫度與混凝土內(nèi)部的差值不能大于25℃，以防止水管周圍產(chǎn)生溫度裂縫。在保證冷卻水管進(jìn)水溫度與混凝土內(nèi)部最高溫度之差不超過30℃條件下，當(dāng)過大或過小應(yīng)及時(shí)調(diào)整水溫及流量。盡量使進(jìn)水溫度最低待主通水冷卻全部結(jié)束后，應(yīng)采用同標(biāo)號(hào)水泥漿或砂漿封堵冷卻水管。

　　4 拱座混凝土溫控監(jiān)測

　　在大體積混凝土的溫控測量中，需要測試的溫度參數(shù)有混凝土的拌合溫度、入模溫度，沿?cái)嗝娣较虻臏囟确植记�線。溫度監(jiān)測工作為大體積混凝土澆注施工及時(shí)準(zhǔn)確地采取溫控對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)。

　　4.1 混凝土現(xiàn)場溫度檢測

　　根據(jù)溫度計(jì)算成果，為做到信息化施工，真實(shí)反映各層混凝土的溫控效果，以便出現(xiàn)異常情況及時(shí)采取有效措施，本工程在拱座中布置28個(gè)溫度測點(diǎn)。測點(diǎn)布置在1/ 4范圍并沿水平方向布置，測點(diǎn)布置圖如圖4所示。各項(xiàng)測試項(xiàng)目宜在混凝土澆筑后立即進(jìn)行，連續(xù)不斷。混凝土的溫度測試，峰值以前每2h監(jiān)測一次，峰值出現(xiàn)后每4h監(jiān)測一次，持續(xù)5d ，然后轉(zhuǎn)入每天測2次，直到溫度變化基本穩(wěn)定。溫度傳感器為PN結(jié)溫度傳感器，溫度監(jiān)測儀采用PN-4C型數(shù)字多路巡回檢測控制儀，同時(shí)配合普通溫度計(jì)，以便進(jìn)行校核。

　　4.2 溫度檢測結(jié)果分析

　　4.2.1澆筑層中心與表面溫度變化規(guī)律

　　施工區(qū)域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)過渡區(qū)，年季多年平均溫度16.1℃。年氣溫1月份最低，平均3.3℃，7月份最高，平均28.6℃。根據(jù)實(shí)測的拱座溫度資料，拱座第一次澆筑層中心部位溫度22h后比入模溫度升高一倍，約44h達(dá)到溫度最高值，持續(xù)24h后即開始下降，5～7d后逐步趨向平穩(wěn)。拱座第二次澆筑時(shí)間在第一層開始下降后進(jìn)行澆筑，由于下層混凝土對(duì)上層新澆混凝土的影響，第二層中心部位達(dá)到最高值，達(dá)67℃，持續(xù)時(shí)間14h ，即較急劇下降，冷卻水停止，稍有反彈，8d后趨向平穩(wěn)。大體積混凝土結(jié)構(gòu)在澆注初期，溫升速度很快，

　　由圖5可知，混凝土內(nèi)部溫升的高峰值一般3～5d內(nèi)產(chǎn)生，3d內(nèi)溫升可達(dá)到或接近最大溫升，一般可達(dá)到55℃～70℃，此后趨于穩(wěn)定，并開始降溫。表面溫度開始隨氣溫變化，當(dāng)混凝土內(nèi)部的溫度與表面溫差過大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度變形，但由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差，混凝土的內(nèi)部溫度聚集在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部長期不易散失，混凝土內(nèi)部不存在的溫度梯度足以使混凝土內(nèi)部逐級(jí)開裂。

　　4.2.3冷卻水溫度情況

　　拱座所布冷卻水溫度進(jìn)水口出水口如圖6所示，受混凝土內(nèi)部水化熱影響，出水口溫升的高峰值一般2～4d內(nèi)產(chǎn)生，待達(dá)到最高溫度后開始緩慢下降，而進(jìn)水口溫度值波動(dòng)隨外界的環(huán)境變化影響較大。

　　5 結(jié) 語

　　(1) 通過對(duì)太平湖大橋銅陵岸拱座各施工階段應(yīng)力混凝土溫度應(yīng)力的初步計(jì)算與分析。結(jié)合大橋拱座施工的基本特性，為拱座大體積混凝土分層澆筑厚度及優(yōu)化施工方案提供初步科學(xué)依據(jù)。

　　(2) 通過優(yōu)化配合比、改善水泥品種，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測的溫度場分布及施工時(shí)的外界溫度和工序特點(diǎn)，建立初步溫控標(biāo)準(zhǔn)。

　　(3) 減少混凝土內(nèi)外溫差，采取保溫及緩慢降溫方法減少混凝土表面的急劇熱損失，防止形成過大的溫差而引起表面貫穿裂縫。充分發(fā)揮混凝土的應(yīng)力松弛效應(yīng)，提高抗拉性能，是防止產(chǎn)生裂縫的有效措施。

　　(4) 太平湖大橋拱座混凝土大體積施工當(dāng)中，由于計(jì)算準(zhǔn)確、措施得當(dāng)、現(xiàn)場施工組織嚴(yán)密，拱座運(yùn)行狀態(tài)良好。

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