某长江大桥承台大体积混凝土低温防裂技术分析
来源: | 作者:浩发商砼 | 发布时间: 2021-05-08 | 21 次浏览 | 分享到:
通过原材料优选及配合比优化设计,针对工程混凝土的施工性、应力性、热物性、耐久性等要求进行优化分析,确保长江大桥承台大体积混凝土性能达到设计要求的高抗裂性,特别是冬季低温施工的防裂性能及其他工作性能。利用FEA有限元仿真分析软件模拟长江大桥承台混凝土的温度-温度应力场;通过计算模型试验结果,并结合规范计算温度控制范围。现场采取骨料保温、水拌合加热、设计布设冷却水管、保温保湿养护、智能化监测的技术手段,控制混凝土内外温度差的措施控制承台的温度裂缝。通过采取这些有效措施检测承台混凝土表面未发现有害温度裂缝、裂纹,温控措施达到了预期的温控效果。

摘要

通过原材料优选及配合比优化设计,针对工程混凝土的施工性、应力性、热物性、耐久性等要求进行优化分析,确保长江大桥承台大体积混凝土性能达到设计要求的高抗裂性,特别是冬季低温施工的防裂性能及其他工作性能。利用FEA有限元仿真分析软件模拟长江大桥承台混凝土的温度-温度应力场;通过计算模型试验结果,并结合规范计算温度控制范围。现场采取骨料保温、水拌合加热、设计布设冷却水管、保温保湿养护、智能化监测的技术手段,控制混凝土内外温度差的措施控制承台的温度裂缝。通过采取这些有效措施检测承台混凝土表面未发现有害温度裂缝、裂纹,温控措施达到了预期的温控效果。


关键词

优化配合比;有限元分析;混凝土温控;智能化监控


引用

某长江大桥长约4.4km,主桥采用纵向钻石型索塔中央双索面三塔组合梁斜拉桥,跨径布置为80-218-2×600-218-80,合计1796m。承台为矩形,外形尺寸24.0m×24.0m,厚6.0m,采用C35混凝土,是为大体积混凝土构筑物。承台的混凝土构筑物截面尺寸大、浇筑混凝土内部产生的热阻大,热量聚集在混凝土构筑物内部,混凝土自身导热性差,致使内部热能不易散发,而表面与外界接触散热快,进而形成内外温差,混凝土构筑物因温度不同使得各部位膨胀收缩不同,形成不均匀的温度应力,当拉应力超过其自身即时抗拉强度,承台混凝土构件就会产生内部或表面裂缝,进而破坏构件结构整体性和稳定性,与设计产生偏差;严重的会废弃重筑,因此对大体积混凝土构件的温度场控制是其进行防裂的关键[1-5]。

本文从承台混凝土构件的原材料、设计配合比、拌合运输浇筑等工艺流程进行优化设计,对承台构件温控计算和现场温度裂缝预控制等方面着手,对主塔大体积混凝土的建筑实施进行防裂控制。


1 原材料及配合比   

1.1 原材料

对承台构件的所有原材料进行对比检测,原材料均满足设计技术指标要求。

海螺P·Ⅱ 42.5型硅酸盐水泥,比表面积355m2/kg, SO3含量2.04%,烧失量2.4%,碱含量0.61%;谏壁电厂F类Ⅰ级粉煤灰,SO3含量1.94%、烧失量2.9%;梅宝S95粒化高炉矿渣粉,SO3含量2.21%,烧失量0.87%;长江某支流Ⅱ区中砂,细度模数2.7,含泥量0.9%;5~25mm级配碎石,压碎值14%,针片状含量3.8%,含泥量0.2%;某缓凝型聚羧酸高性能减水剂,减水率28%,固含量25%。


1.2 配合比

承台混凝土构件为低水化热、散热性好且高抗裂性、抗渗性好的混凝土并兼顾施工性,同时满足构件设计的性能参数。通过优化试验筛选,并对混凝土性能综合对比分析,筛选出长江大桥承台的混凝土配合比。承台C35混凝土优选试验配合比见表1,其工作性能与力学性能见表2。承台的混凝土绝热温升与力学性能满足设计要求,同时也满足大体积混凝土设计要求。




2 温控计算  

2.1 温度场及温度应力场仿真计算分析

承台混凝土分2次浇筑,浇筑高度为(3.0+3.0)m。承台受2.0m厚水下C25混凝土垫层约束;依据模拟试验,同时根据冷却水管降温辐射效果,设计冷却管间距为100cm×100cm。承台第1层入模温度取16℃,第2层入模温度取18℃。在此工况条件下,课题组利用FEA有限元仿真分析软件对承台大体积混凝土进行建模分析,根据设计施工的施工工艺,在承台混凝土的1/2剖体温度与温度应力发展进行温控模拟分析。承台大体积混凝土温度及温度应力场的仿真模拟结果见表3,承台的最高温度包络图如图1所示。



图 1   承台最高温度包络(单位:℃)

由表3和图1可知,承台分2层施工,第1层最高温度为49.85℃,最大温差为18.43℃;第2层混凝土中形成的内部最高温度为52.08℃,最大内表温差19.52℃,因此得到最高温度为52.08℃,最大温差19.52℃。模拟结果对比规范JTG/T 3650—2020《公路桥涵施工技术规范》中关于大体积混凝土内部最高温度不应大于75℃的规定,符合该标准中大体积混凝土内表温差控制在25℃以内的规定。承台混凝土各龄期温度应力计算值均低于容许应力值,抗裂安全性较高。


2.2 温控标准

依据FEA有限元仿真分析计算结果,同时结合相关规范要求并依据设计技术指标,算出承台混凝土防裂控温实施的关键参数指标,见表4。


3 现场温度裂缝控制措施   

根据温控标准和现场施工条件,选取技术成熟、经济合理、现场组织施工方便的控温控裂技术手段[6-10],承台混凝土构件的主要技术手段包括拌合前入模温度的控制、内循环冷却水控制及强度形成时期的养护控制等。


3.1 入模温度控制

承台大体积混凝土施工时间为2021年1~2月,为低温期施工,混凝土有防冻害需求,为了避免热量散失过快,温差过大,混凝土浇筑过程要严格控制浇筑温度下限[10-14]。入模温度控制措施有:提前备料、搭设骨料保温棚;使用锅炉烧热水拌合,对储水箱进行包裹,如图2、图3所示。现场专人实测,严格控制混凝土入模温度在14.2~17.3℃。冬季采取上述技术措施,在混凝土浇筑前能有效保温,避免热量散失;同时达到混凝土入模温度控制在温控标准范围内,提高了混凝土的浇筑下限。


图 2   拌合水加热包裹保温


图 3   罐车包裹保温


3.2 冷却水控制

承台混凝土入模后,混凝土开始凝固发生水化反应释放热能,其内部温度升高,通过构架冷却水管,来降低混凝土内部温度[15-16],根据FEA有限元仿真分析混凝土内部温度场,在承台混凝土的第1、第2浇筑层均正交交错设置3层冷却水管,保障内部温度不致过高;冷却水管水平管间距为100cm×100cm,垂直管间距为100cm;冷却水管埋设距离混凝土表面、侧面不小于50cm;每层设置3套水管,水管分别设置1个进出水口,总长度不宜超过200m。选取Φ40mm的管径,通过橡胶管连接。冷却水管的水平布置示例如图4所示。


图 4   承台冷却水管水平布置示意图(单位:cm)


承台混凝土冷却系统采用自来水循环。循环水通过分水器将各层各套水管集中分出(如图5所示),再回流到循环水箱(如图6所示)。现场共用1个分水器和2个循环水箱。1个水箱对应1个分水器进行编号分组,分水器设9个独立水阀以便控制每套水管冷却水流量流速,并通过1个减压阀控制通水速率,达到精准控温的目的。


图 5   分水器分流


图 6   循环水箱


混凝土升温初期采用往水箱一直加冷水的方式以最大程度冷却混凝土;混凝土内部温度与进水温度之差达到20℃后改为内循环,即冷却出水回到循环水箱,根据需要补充江水,在充分冷却混凝土的前提下尽量避免进水温度过低给混凝土造成冷击;温峰后根据温度监测结果控制冷却水进水温度与混凝土内部最高温度之差小于20℃,通过独立水阀调整冷却水流量以控制混凝土降温速率≤2℃/d。整个通水过程中实测进水温度在13~35℃之间,出水温度在15~37℃之间,进出水温差在2~5℃之间,符合进出水温差≤10℃的温控标准。


3.3 养护控制

主墩大体积混凝土施工期间气温较低,混凝土保温、保湿养护非常困难;尤其是钢模板的保温效果较差更增加了养护难度。承台顶面初凝后采取上表面覆盖保温棉被,并搭建封闭式遮雨棚,棚内烧煤炉等养护措施(如图7所示),多重保温养护;侧面给钢模板贴保温板保温,拆模后覆盖保温棉被,保温效果良好,内表温差可控。


图 7   承台上表面覆盖保温棉被


3.4 现场温度监控

施工期间实时监测质量和温控成效,做到数据及时可控,现场可依据实际情况实施动态调整,高效可视化、信息化施工,对承台的混凝土拌合、运输、入模、浇筑、成型时内部外部、进出水口温度进行实时监测。

承台混凝土对其内部温度测点的设置:

(1)依据承台温度场的分布,对纵向的温度监测测点,特别是间距适当调整,监测测点应在水管间距上≥25cm;

(2)根据承台自身特点对称性的特点,内部向外部散热性,选取承台的1/4布设监测测点;

(3)依据实际温控指标,温度监测测点设置避免在水管温度辐射范围内,同时避开承台的外表面。温度监测测点如图8所示。


图 8   承台测温元件布置示意(单位:cm)


工程于2021年1月23日浇筑第1层混凝土,2月2日浇筑第2层混凝土。承台第1、2层温度特征值历时曲线如图9、图10所示。第1层混凝土内部最高温度为49.0℃,发生于浇筑后的70h左右,也就是3d强度形成时;此时的水化反应最为剧烈;第2层混凝土内部最高温度为51.7℃,发生在60h左右,最高点前置,分析认为这是内部冷却水作用导致最高点未出现在3d作用,认为冷却水起了关键作用;同时发现,实施监测数据与仿真计算结果符合程度较高;承台混凝土控温体系的最大温峰≤60℃的标准;最大内表温差为17.5℃;降温速率控制在1.1~1.6℃/d。各项控温指标符合规范和设计要求,达到了预期的效果。


图 9   第1层混凝土温度特征值历时曲线


图 10   第2层混凝土温度特征值历时曲线


结语  

利用FEA有限元仿真分析软件对大桥承台的大体积混凝土实施仿真分析,构建混凝土实施过程的温控体系,逐一环节制定温控标准和温控措施;施工过程实时监测,动态协同管理温控体系,承台混凝土整体温控措施实施情况较好,达到预计效果。说明承台类大体积混凝土的温度场和温度应力场控制,主要控制最高温度,特别是内部温度;再次就是严格管控混凝土的温度差,防止温差过大,内部温度应力过大。从本项目现场温度监测结果来看,做好了混凝土内部降温的同时,严格管控了混凝土的内外温差和降温速率,满足已制定温控标准。从现场施工情况来看,承台构件安全,未出现危险的温度裂缝,达到温控目标。