中山大橋承臺大體積混凝土控裂技術研究

周 雨

(廣東華路交通科技有限公司,廣州 510420)

1 工程概況

深中通道地處珠江中游核心區域,位于虎門大橋與港珠澳大橋之間,連接深圳、中山、江門等市,全長約24 km,由橋、島、隧、水下互通組成[1],其中中山大橋為主跨580 m 的雙塔雙索面斜拉橋,主塔基礎采用分離式承臺+群樁基礎,兩個分離式承臺通過主塔塔底連接系梁形成整體,主塔承臺設計為帶倒角的多邊形,單個承臺平面尺寸為24 m×24 m,高為6.5 m?；A為14 根直徑3.0 m 的鉆孔樁,呈梅花狀布置,封底厚度為2.5 m。單個承臺需C40 混凝土3 380.0 m3,共需鋼筋313.9 t、封底混凝土1 025 m3。

為加強塔柱與基礎間的抗船撞性能,將塔柱與基礎連接形成整體基礎。系梁為單箱單室斷面,每11.2 m 增加一道隔墻,隔墻厚為1 m,橫梁中心設1.5 m 隔板。系梁跨中位置高9.5 m,梁上下寬度均為10 m,系梁與塔柱交接處梁高13.5 m,梁上寬12.884 m、下寬14 m,系梁頂板及腹板厚1.2 m,底板厚1.5 m。主塔基礎布置示意如圖1 所示。

圖1 主塔基礎布置示意(單位:cm)

塔柱及系梁采用C50 高性能海工混凝土,承臺采用C40 高性能海工混凝土,圍堰封底采用C25 水下混凝土,混凝土配合比如表1 所示。施工前檢測中心和施工單位均對混凝土各項性能指標進行試驗檢測,混凝土實測工作性能及力學性能指標如表2 所示?；炷廖锢頍釋W參數根據混凝土配合比進行計算,線膨脹系數、泊松比根據規范經驗取值,混凝土物理熱學參數如表3 所示。

表1 混凝土配合比 (kg/m3)

表2 混凝土實測工作性能及力學性能指標

表3 混凝土物理熱學參數

中山大橋主塔承臺及系梁均為大體積混凝土,澆筑后混凝土內部將產生較高的水化熱溫升,形成不均勻非穩定溫度場,產生不均勻的溫度變形應力,易造成混凝土結構開裂[2]。為防止有害溫度裂縫產生,需從混凝土配合比、施工工藝、溫控技術等方面進行控制,確?；炷敛怀霈F有害裂紋[3-4]。該橋承臺和系梁的主要施工難點為:①海上施工,施工材料運輸困難,影響到溫控所需的冷卻水供應;②風大、晝夜溫差大等復雜海洋環境問題給混凝土保溫和保濕工作帶來困難;③承臺和系梁結構復雜,單次澆筑方量大,導致混凝土施工組織難度大;④承臺和系梁混凝土采用高等級混凝土,混凝土絕熱溫升速度快、溫度高[5-7];⑤系梁為薄壁結構,散熱面較大,易產生塑性開裂,且其受力情況復雜,薄弱部位易產生應力集中最終導致開裂。

2 仿真計算分析

2.1 有限元模型

中山大橋承臺分兩次澆筑,第一次澆筑層厚為3.0 m,第二次澆筑層厚為3.5 m。承臺施工完成后,在兩個獨立承臺之間設置單壁鋼吊箱進行塔底連接系梁施工,系梁分兩次澆筑,第一次澆筑5.0 m,系梁與塔柱之間設0.8～1.0 m 的后澆段。根據結構對稱性,取承臺(含塔柱2 m 預澆段)、系梁混凝土的1/2 進行溫度應力計算,計算模型如圖2 所示。

圖2 計算模型

承臺施工采用雙壁鋼吊箱作為止水結構,吊箱內施工風速取4 m/s,粗糙表面在空氣中的放熱系數β=82.2 kJ/(m2·h·℃)。吊箱壁板兼作承臺模板,鋼板厚8 mm。系梁及塔柱預澆段均采用鋼模板,導熱系數λ=163.29 kJ/(m·h·℃);覆蓋1 mm 厚防風防雨篷布,導熱系數λ=0.419 kJ/(m·h·℃)。承臺底部為2.5 m 厚的C25 混凝土封層,第一層混凝土、第二層混凝土以及系梁之間考慮混凝土齡期差。大體積混凝土邊界條件如表4 所示。

表4 大體積混凝土邊界條件

2.2 溫度計算結果

在相應工況條件下,承臺及系梁大體積混凝土溫度計算結果如表5 所示,均符合溫度控制標準。

表5 承臺及系梁大體積混凝土溫度計算結果

承臺第一層混凝土內部溫度峰值較理想,第二層混凝土內部溫度峰值比第一層高出較多,主要是第二層澆筑厚度比第一層大,且與塔柱底部2 m 預澆段一起施工,造成內部溫度偏高,因此需加強第二層的冷卻水通水管控。系梁因未設置冷卻水管,內部溫度峰值和內表溫差均較高,需做好混凝土入模溫度控制和養生保溫措施。

2.3 應力計算結果

混凝土特定齡期溫度應力計算結果如表6 所示,承臺及系梁混凝土各齡期溫度應力計算值均低于容許應力值,抗裂安全性符合規范要求。

表6 混凝土特定齡期溫度應力計算結果 (MPa)

承臺第一層3 d、28 d 混凝土應力場分布如圖3 所示,承臺第二層3 d、28 d 混凝土應力場分布如圖4 所示。各澆筑層混凝土早期膨脹,前3 d 應力發展較快,集中于構件表面,主要為內表溫差引起的拉應力;后期混凝土結構收縮,應力由外部向內部發展,內外應力最終整體穩定。承臺第一層28 d 混凝土應力場分布的上表面出現負應力,且系梁與承臺接觸外側存在應力集中,表明下一層混凝土對上一層混凝土收縮存在約束作用,所以上下層混凝土施工時須嚴格控制齡期差。針對應力集中問題,接近應力極限位置應針對性采用防裂鋼筋網、纖維混凝土等方式減少開裂風險。

圖4 承臺第二層3 d、28 d 混凝土應力場分布(單位:N/mm2)

系梁3 d 混凝土溫度應力場分布如圖5 所示,系梁第一層早期于承臺邊緣部位產生應力集中,應力水平較高;系梁第二層早期應力集中于構件側面及上表面,為內表溫差引起的拉應力。根據計算結果,須加強系梁該部位的保溫和保濕養護,以降低混凝土內表溫差,防止此處混凝土約束應力累積導致結構開裂。

圖5 系梁3 d 混凝土溫度應力場分布(單位:N/mm2)

3 大體積混凝土施工控制措施

根據仿真計算結果及海上施工特點,承臺結構外部保溫工作不易實施,外加海上風大、晝夜溫度變化大,需要從降低混凝土自身水化熱的角度解決核心溫度過高產生的溫度應力問題,同時解決海上難以供應大量冷卻淡水的問題。

3.1 大體積海工混凝土配合比

通過市場調研,選取不同廠家水泥進行水化熱試驗,優選產生水化熱最低的產品材料。并采用礦渣粉和粉煤灰雙摻技術,最大限度使用礦渣粉和粉煤灰代替水泥,通過混凝土56 d 配合比試驗[8],可在保證混凝土強度的情況下盡可能減少水泥使用。同時使用超緩凝型聚羧酸類高性能減水劑,以改善混凝土施工的和易性、強度和耐久性。此外,須加強原材料進場管理,確保材料的質量和溫度滿足要求,尤其須對粉料的活性指數加強檢測。

工程中應高溫促進混凝土水化反應,嚴控混凝土入模溫度。在最優成本情況下,通過遮陽、通風等措施降低骨料和粉料的溫度,不得使用新出廠的水泥,水泥須充分放置冷卻或采取措施使其溫度≤60 ℃再使用[9]。并采用加冷水、冰屑拌和等措施降低混凝土出機溫度,同時對運輸罐車采用篷布包裹等方式,將混凝土入模溫度控制在28 ℃以下。

3.2 節水冷卻系統

因承臺大體積混凝土前期釋放熱量較大,需要提供大量冷卻淡水,但海上淡水供應困難,無法滿足要求,本項目采用大型鋼護筒現場構建高效冷卻系統,即采用兩個直徑為3.3 m 的鋼護筒作為制造冷卻系統的進水箱和出水箱,兩個水箱之間通過水管連接。進水箱為冷卻箱,可根據水溫添加冰塊制冷,高效冷卻回流熱水,減少海上冷卻淡水的需求。水箱中增設自循環系統,使水箱的水溫上下均勻一致,避免冷卻水忽冷忽熱。出水箱為儲水箱,安裝分水器且每個分水器具有獨立水閥,可根據溫控元件收集數據,控制每個閥門的出水速度和流量,冷卻水罐和分水器如圖6 所示。

圖6 冷卻水罐和分水器

優化中山大橋主塔承臺冷卻水管布設,冷卻水進水口布設在混凝土核心溫度最高區域,使冷卻水優先冷卻核心最高溫度區域,每套水管設置一個進出水口,管長＜150 m。冷卻水管選用導熱良好的鋼管,采用螺紋絲扣+焊接的連接方式,避免澆筑混凝土漏漿影響通水,冷卻水管布設如圖7 所示。

圖7 冷卻水管布設

循環冷卻系統開始通水及升溫期間要求水流量≥60 L/min,水流速≥0.6 m/s;冷卻水與混凝土核心溫度溫差≤25 ℃,以防出現冷擊情況,出水與進水溫差≤10 ℃;降溫期間通過調整出水速度控制降溫速率≤2.0 ℃/d;停水標準為混凝土降溫速率≤2.0 ℃/d、混凝土內部最高溫度與表面溫度之差≤15 ℃。

3.3 應力集中位置精確防裂

根據仿真驗算結果,中山大橋承臺第一層混凝土下表面和第二層上表面應力較大,須增加防裂鋼筋網。系梁與承臺間澆筑間隔期較長,在系梁和承臺交界位置添加聚丙烯纖維,參考各類試驗數據,摻加聚丙烯纖維的混凝土抗拉強度可提高約15%[10-11]?；炷涟韬驼卷毰渲镁郾┯嬃繐郊釉O備,確保聚丙烯摻加數量和均勻度滿足要求。

4 現場檢測及結果分析

根據承臺對稱性的特點,選取承臺的1/4 塊布置溫控測點,承臺每個澆筑層布設3 層監控點,中間部位布置監測點,靠近上下表面布置校核點,設置監控點與水管間距≥25 cm,溫度信息采用智能設備自動收集和預警,鋼圍堰和大氣的溫度可同步測量、收集。承臺第一層混凝土溫度曲線如圖8 所示,承臺第二層混凝土溫度曲線如圖9 所示。

圖8 承臺第一層混凝土溫度曲線

圖9 承臺第二層混凝土溫度曲線

承臺第一層澆筑混凝土內部最高溫度峰值為71.7 ℃,最大內外溫差約為24.2 ℃,每天溫降約2.2 ℃,除每天溫降值略超過要求,其他指標均滿足要求。與仿真計算結果對比,現場內部最高溫度高出計算結果較多,主要原因是海上施工時冷淡水供應較困難,導致冷卻水管降溫能力未充分發揮?？紤]到第二層混凝土仿真計算中的內部溫度更高,結合現場冷卻系統的兩個水箱特點,進行冷卻系統改進,采用加冰塊降水溫的方式,改進后的冷卻系統通冷指標滿足要求。第二層混凝土現場實測內部核心溫度峰值為67.4 ℃,最大內外溫差為23.5 ℃,除峰值后的一天內溫度降速為3.1 ℃/d,其他溫度降速均保持在2 ℃/d 以內,滿足大體積混凝土指標要求,整體冷卻效果比第一層好,該冷卻系統可在后續海上大體積混凝土結構中大面積使用。

5 結語

以深中通道中山大橋主塔承臺和系梁為研究對象,根據大體積混凝土溫度控制標準,通過有限元軟件進行溫度和應力模擬分析。并以計算結果為指導,結合海上施工特點,優化海工混凝土配合比,從源頭控制大體積混凝土水化熱,研究節水高效冷卻系統,解決海上淡水供應困難的問題。對復雜系梁和承臺交界處存在應力集中的位置,精準使用聚丙烯纖維混凝土加強處理,提升其抗裂性能。施工期間現場實測冷卻系統充分使用后混凝土內部最高溫度為67.4 ℃,與仿真模型計算結果接近?；炷羶韧鉁夭罴懊刻鞙囟冉邓倬鶟M足規范要求,現場只在承臺上表面發現個別淺層小裂紋,未發現有害裂縫,控裂效果較好。