摘 要：基于棋盘洲长江大桥北锚碇的施工，研究大体积混凝土的抗裂安全性评价指标。分别建立了支墩及基础、锚块及后浇带的有限元分析模型，重点分析了入模温度、内部最高温度及内表温差对大体积混凝土抗裂性的影响。研究表明，大体积混凝土入模温度宜控制为5℃～28℃,内部最高温度宜控制为不高于75℃,内表温差宜控制为不大于25℃,同时降温速率宜控制为不大于2.0℃/d。
关键词：锚碇;大体积混凝土;温度控制;开裂;仿真分析;实测研究;
基金：中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目，项目编号18-A03;
1 研究背景大体积混凝土的裂缝主要由温度变化引起。提高大体积混凝土的抗裂性能，可采取降低混凝土的水化放热总量、减少混凝土结构内外温差等措施[1]来实现。为了评估大体积混凝土的抗裂安全性，张玉平等[2]对太洪长江大桥北岸重力式锚碇支墩基础进行分析研究，并通过分析间隔期、冷却水的流速及通水时间3个温控指标参数，得出该工程分层浇筑的间隔期宜控制在5～7 d, 浇筑初期冷却水的流速不应小于1 m/s, 通水时间至少持续至下个施工阶段结束；尤俊刚[3]从混凝土入模、浇筑等方面探讨了大体积混凝土温控施工技术；拓筱杨[4]针对冷却管布置方式对温度控制的影响进行数值模型分析，结果表明2 m×1 m为较好的冷却管布置间距；Gajda等[5]从大体积混凝土的施工与养护方面提出了控制温度裂缝的措施；针对大体积混凝土温度发展的预测，Bobko等[6]提出了改进施密特法。一般而言，通过控制混凝土温度应力来预防大体积混凝土的裂缝，而混凝土内部最高温度等因素对温度应力起着决定性作用，所以对这些因素的把握尤为重要。本文重点进行内部最高温度等控制标准的有限元仿真分析，并与实测值进行对比研究。
2 工程概况与分析模型2.1工程概况棋盘洲长江大桥位于黄冈市，主桥为单跨悬索桥，桥跨为340 m 1 038 m 305 m。主桥北锚碇采用重力式嵌岩锚，包括锚块、支墩基础等组成部分。其中，支墩基础为60.0 m×24.1 m×6.6 m, 支墩为13.4 m×13.1 m×16.2 m, 锚块为60.0 m×35.357 m×33.064 m, 采用C30混凝土。这些构件均为大体积混凝土，为保证构件的安全性和耐久性，需对构件混凝土进行温控防裂设计。
2.2锚碇大体积混凝土施工方案为了控制混凝土内部温度及温度应力，需根据温控要求对大体积混凝土进行分块、分层浇筑，如图1所示。将锚碇在水平方向分左右锚块、左右散索鞍支墩及基础4大块进行施工，在竖直方向分6大块进行施工；锚块分15层浇筑，散索鞍支墩基础分3层浇筑，散索鞍支墩分6层浇筑，前锚室侧墙分9层浇筑，前锚室顶板及后浇带均为一次性浇筑。
锚碇混凝土施工顺序为：锚块→散索鞍支墩基础→散索鞍支墩→锚块后浇带、散索鞍支墩基础后浇带→前锚室侧墙→主缆架设→前锚室顶板。
2.3抗裂安全性评价指标温度裂缝常出现在混凝土表面，且易形成贯穿性裂缝[7,8,9]。可从两方面对大体积混凝土抗裂安全性进行评价：一方面是特征温度控制值，如入模温度、内部最高温度及内表温差等，可将混凝土温度仿真计算值及后期实测值与相关规范的规定值进行对比分析；另一方面是抗裂保证率，可间接通过安全系数的控制标准进行评价。
图1 锚碇三维结构示意
2.3.1温度评价指标本项目对混凝土入模温度的控制值为≥5℃且≤28℃;混凝土内部最高温度应在入模温度基础上实际温升值不大于50℃,且内部最高温度不应超过75℃;对混凝土最大内表温差控制在25℃以内。
2.3.2应力评价指标根据大体积混凝土温度应力抗裂性能的调研结果，得出本工程抗裂安全系数取值不小于1.4。
2.4大体积混凝土仿真计算2.4.1模型参数根据施工方案，采用Abaqus建立有限元模型。考虑锚块结构的对称性，取单幅进行温度应力仿真计算。具体计算模型网格剖面图如图2所示。
图2 锚块大体积混凝土1/2网格剖面图 (附带垫层约束)
锚碇为嵌岩锚，四周为泥质砂岩约束，等效C20混凝土。锚块水平方向分2块，每块15层，浇筑厚度为2.2 m×2层 1.9 m×1层 2.2 m×2层 1.9 m×1层 2.2 m×8层 2.864 m×1层。锚块采用C30大体积混凝土，混凝土原材料及配合比设计见表1。
表1 锚碇C30大体积混凝土配合比
kg/m3
|
结构部位 |
混凝土配合比 | |||||||
|
亚东P·O42.5水泥 |
国信扬州Ⅱ级粉煤灰 |
九江中冶S95级矿粉 |
武汉浩盛抗渗剂 |
浠水巴河砂 |
宏发5～31.5 mm三级配碎石 |
自来水 |
聚羧酸缓凝减水剂 | |
|
锚碇 |
167 |
113 |
68 |
22 |
793 |
1 093 |
144 |
4.07 |
锚块于2017年8月24日～2017年12月21日施工，锚块各浇筑层浇筑时间及相应平均气温见表2。由表2可以看出，锚块1～4层需要通过常规原材料温度控制措施控制入模温度≤28℃,其他层入模温度可直接根据气温情况进行计算。
表2 锚块大体积混凝土预计浇筑时间及浇筑温度取值
℃
|
构件 |
浇筑层 |
浇筑时间 |
平均气温 |
骨料温度 |
拌和水温度 |
出机口温度 |
入模温度 |
|
锚块 |
1～4 |
8月末～9月底 |
22～32 |
— |
— |
— |
28 |
|
5～7 |
10月 |
16～26 |
20 |
20 |
23.5 |
25 | |
|
8～11 |
10月末～11月末旬 |
8～18 |
15 |
18 |
20.2 |
22 | |
|
12～15 |
12月 |
4～14 |
10 |
15 |
18.4 |
20 |
锚块大体积混凝土浇筑边界条件见表3,除嵌岩部分外锚块混凝土采用钢模，表面等效散热系数取80 kJ/(m2·h·℃)。
表3 锚块大体积混凝土边界条件
|
构件 |
模板材质 |
浇筑间隔期/d |
气温/℃ |
入模温度/℃ |
养护方法 |
冷却水布设(水平管间距×竖直管间距)/cm |
|
锚块 |
钢模 |
7 |
(9～27)±5 |
20～28 |
侧面带模，上表面蓄水 |
100×100 |
根据以上边界条件计算得出内部最高温度等结果见表4。结果表明，锚块大体积混凝土内部最高温度及最大内表温差均出现在浇筑后约第3 d, 计算结果均符合制订的温度标准。
表4 锚块温度计算结果
℃
|
浇筑层 |
第1层 |
第2层 |
第3层 |
第4层 |
第5层 |
第6层 |
第7层 |
第8层 |
|
内部最高温度 |
53.6 |
53.9 |
53.0 |
54.0 |
51.6 |
50.8 |
51.8 |
49.6 |
|
最大内表温差 |
21.1 |
21.7 |
20.9 |
21.6 |
20.8 |
20.3 |
20.7 |
19.7 |
|
浇筑层 |
第9层 |
第10层 |
第11层 |
第12层 |
第13层 |
第14层 |
第15层 | |
|
内部最高温度 |
49.9 |
49.6 |
49.7 |
48.7 |
48.1 |
48.1 |
49.8 | |
|
最大内表温差 |
19.9 |
19.6 |
19.7 |
19.3 |
19.0 |
19.0 |
19.8 |
根据以上边界条件计算得出混凝土温度应力等结果，见表5。由表5可以看出，锚块各层最小抗裂安全系数为1.47≥1.4,符合制订的应力标准。
表5 锚块温度应力计算结果
|
结构部位 |
温度应力/MPa |
安全系数 | ||||||
|
3 d |
7 d |
28 d |
180 d |
3 d |
7 d |
28 d |
180 d | |
|
第1层 |
0.61 |
0.54 |
1.01 |
1.08 |
2.79 |
4.07 |
2.57 |
2.87 |
|
第2层 |
1.05 |
0.91 |
1.15 |
1.59 |
1.62 |
2.42 |
2.26 |
1.95 |
|
第3层 |
0.77 |
0.63 |
1.36 |
1.69 |
2.21 |
3.49 |
1.91 |
1.83 |
|
第4层 |
0.87 |
0.69 |
1.71 |
1.54 |
1.95 |
3.19 |
1.52 |
2.01 |
|
第5层 |
1.13 |
1.11 |
1.60 |
1.63 |
1.50 |
1.98 |
1.63 |
1.90 |
|
第6层 |
0.98 |
0.81 |
1.69 |
1.55 |
1.73 |
2.72 |
1.54 |
2.00 |
|
第7层 |
1.00 |
0.78 |
1.67 |
1.29 |
1.70 |
2.82 |
1.56 |
2.40 |
|
第8层 |
0.78 |
0.69 |
1.54 |
1.33 |
2.18 |
3.19 |
1.69 |
2.33 |
|
第9层 |
1.04 |
0.86 |
1.77 |
1.76 |
1.63 |
2.56 |
1.47 |
1.76 |
|
第10层 |
0.78 |
0.64 |
0.76 |
0.87 |
2.18 |
3.44 |
3.42 |
3.56 |
|
第11层 |
0.67 |
0.57 |
0.75 |
0.84 |
2.54 |
3.86 |
3.47 |
3.69 |
|
第12层 |
0.73 |
0.53 |
0.76 |
0.83 |
2.33 |
4.15 |
3.42 |
3.73 |
|
第13层 |
0.68 |
0.55 |
0.68 |
0.83 |
2.50 |
4.00 |
3.82 |
3.73 |
|
第14层 |
0.69 |
0.58 |
0.50 |
0.74 |
2.46 |
3.79 |
5.20 |
4.19 |
|
第15层 |
0.81 |
0.67 |
0.53 |
0.48 |
2.10 |
3.28 |
4.91 |
6.46 |
选取第2层、6层、8层、12层、14层作为代表层(兼顾有腔室部分及无腔室部分、地面以下部分及地面以上部分)。各龄期应力场分布如图3～图7所示。可以看出，锚块各浇筑层混凝土早期膨胀，在第3 d时混凝土出现温峰及最大内表温差，且混凝土温度应力发展较快，集中于构件上表面，为内表温差引起的拉应力；后期由于混凝土的收缩，构件上表面的应力向构件内部传递并逐渐稳定，同时混凝土的内表温差也平稳下来，但在锚块空腔部位，仍然有应力集中现象。为避免后期混凝土约束累积导致的开裂，锚块空腔部位要采取长期保温保湿养护措施。
图3 第2层温度应力场分布
图4 第6层温度应力场分布
图5 第8层温度应力场分布
图6 第12层温度应力场分布
图7 第14层温度应力场分布
4 实测结果混凝土温度监测在2017年12月30日10:00～2018年10月22日10:00进行，每个浇筑块的监测周期为8～14 d。北锚块各层混凝土温度特征值监测数据如图8所示，并与仿真分析结果相对比。
由图8可知，混凝土内部最高温度实测值为68.8℃,符合≤75℃的控制标准；混凝土最大内表温差实测值最高为21.9℃,符合≤25℃控制标准。同时，实测发现，温峰后前期降温速率为0.4～3.6℃/d,略大于≤2.0℃/d的控制标准，原因是锚锭前后以基岩围护，散热面比较大。后期经调整水管降温速率控制为0.4～2.0℃/d,符合≤2.0℃/d的控制标准。
图8 混凝土温度计算值和实测值
棋盘洲长江公路大桥北锚块大体积混凝土温控监测历时近11个月。从监测结果来看，基本满足温控标准。从施工结果来看，构件上未出现影响其安全性能的有害裂缝，故施工满足温控要求。
结合有限元仿真结果和本工程的实测数据，在参考相关规范[10,11,12]10-12]后，针对大体积混凝土的施工，制订了相关的温度控制标准，见表6、表7。
表6 大体积混凝土温控标准主要指标
|
构件 |
入模温度℃入模温度℃ |
内部最高温度℃最高温度℃ |
内表温差℃内表温差℃ |
降温速率℃/d降温速率℃/d |
|
支墩及基础 |
≥5且≤28 |
≤75 |
≤25 |
≤2.0 |
|
锚块 |
≥5且≤28 |
≤75 |
≤25 |
≤2.0 |
|
后浇带 |
≥5且≤28 |
≤50 |
≤25 |
≤2.0 |
表7 大体积混凝土温控标准参考指标
℃
|
构件 |
新浇混凝土温度与下层已浇混凝土温度之差 |
冷却水管出水温度与进水温度之差 |
冷却水温度与混凝土内部温度之差 |
混凝土表面与大气或与养护环境温度之差 |
养护水温度与混凝土表面温度之差 |
|
支墩及基础、锚块、后浇带 |
≤20 |
≤10 |
≤25 |
≤20 |
≤15 |
以棋盘洲长江大桥北锚碇的施工为背景，对大体积混凝土施工的温控标准进行了研究，主要结论如下。
(1)外部气温、结构的尺寸以及混凝土配合比等因素均会影响混凝土的温度，因此需要根据具体情况确定相应的控制方法，在设置主控标准控制温度的同时，辅以参考标准把握混凝土温度的发展。
(2)控制大体积混凝土施工温度的主要原则有：控制混凝土的入模温度，减少由混凝土水化热所导致的升温，通过温度控制措施减缓混凝土的降温速率，控制内表、新旧混凝土的温差，并降低混凝土与自然环境的温差。
(3)大体积混凝土入模温度宜控制在5℃～28℃,内部最高温度宜控制在75℃以内，内表温差宜控制在25℃以内，降温速率宜控制在2.0℃/d以内。
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