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    受约束索塔下横梁大体积混凝土控裂难点及水化热分析

    时间：2023-02-27 10:25:05来源：百花范文网本文已影响人

    李莘哲，贾利强

    (1.广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200；
    2.广西欣港交通投资有限公司，广西 南宁 530029)

    已浇混凝土若受到周边较大约束，极易产生裂缝，裂缝的出现对大体积混凝土耐久性有较大影响。本文以在建工程龙门大桥为依托，通过水化热计算，提出温控和早期抗裂措施，为周边约束大体积混凝土施工提供理论参考。

    龙门大桥为单跨吊悬索桥，一跨过海，主跨1 098 m，采用门式混凝土索塔，塔高174 m。索塔采用门式造型，设置上、下两道横梁，索塔横梁为预应力混凝土构件。其中，下横梁标高9.0 m、宽3.5 m，与塔柱底部实心段同时浇筑，其平面结构见图1。

    图1 塔身及下横梁平面示意图(cm)

    塔身、下横梁采用C55海工混凝土，为大体积混凝土[1]，存在因水化热发展导致开裂的可能性，需对其进行大体积混凝土温控设计与控制，提升其控裂安全性，确保大桥施工安全性及有效使用寿命。

    (1)塔柱、下横梁混凝土设计强度等级高(C55)，胶凝材料用量较多、水化热[2]高、混凝土绝热温升高，控制混凝土温升的措施不当时，极易因温差温度应力而引起开裂。

    (2)塔柱第一节段、下横梁结构的变截面较多，各个部位的混凝土收缩情况不一样，极易引起个别部位的温度应力集中而开裂。

    (3)塔柱第一节段、下横梁受承台混凝土固结约束，新老混凝土浇筑间隔期较长，下部固结约束较大容易导致上层混凝土约束累积开裂。

    3.1 大体积混凝土配合比

    塔柱第一节段、下横梁采用C55海工混凝土，混凝土配合比设计见表1。混凝土掺加1.5 kg/m3的纤维素纤维以提高其抗拉能力。

    表1 C55塔柱第一节段、下横梁混凝土配合比设计表(kg/m3)

    3.2 混凝土各项性能指标

    根据混凝土配合比计算混凝土物理热学参数，按经验取线膨胀系数值，结果见表2。

    表2 C55大体积混凝土物理热学性能表

    混凝土掺加1.5 kg/m3的纤维素纤维以提高其抗拉能力。参考各类试验数据，掺加1.5 kg/m3纤维的混凝土抗拉强度可提高约15%，相应混凝土特定龄期劈裂抗拉强度参考值见表3。

    表3 C55大体积混凝土劈裂抗拉强度表(MPa)

    (1)混凝土弹性模量计算公式为：

    E(t)=βE0(1-e-φt)

    (1)

    (2)混凝土绝热温升按式(2)计算，其中m取浇筑温度30 ℃的值。

    (2)

    (3)混凝土不同龄期的抗压强度ft符合式(3)规律，通过特定龄期试验结果反向拟合各项参数值，推算任意龄期强度；
    不同龄期的抗拉强度ftk可按式(4)拟合，α值一般推荐0.44，可结合特定龄期试验结果予以校正：

    (3)

    (4)

    Midas/FEA仿真计算中对于普通硅酸盐水泥，a取4.5，b取0.95，d取1.11。

    通过以上计算所求得各龄期抗拉强度值，根据混凝土配合比及抗压强度数据进行修正，得到C55海工大体积混凝土劈裂抗拉强度。

    4.1 模型参数

    构件尺寸：塔柱实心段平面尺寸为10.0 m×8.0 m，下横梁宽3.5 m，均厚9.0 m。

    约束条件：塔柱第一节段约束部位为C45承台，横梁约束部位为10 cm厚垫层，垫层采用C25素混凝土。

    分层分块：塔柱第一节段、下横梁一起浇筑，分两次浇筑成型，浇筑厚度为4.5 m+4.5 m。

    由于塔柱第一节段、下横梁为对称结构，取其混凝土的1/4进行水化热[2]建模计算。计算模型网格划分见图2。

    图2 塔柱第一节段、下横梁大体积混凝土1/4网格剖分示意图(附带承台、垫层约束)

    4.2 边界条件

    塔柱第一节段、下横梁大体积混凝土的边界条件如表4所示。

    表4 塔柱第一节段、下横梁大体积混凝土边界条件取值表

    (1)环境温度：塔柱第一节段、下横梁大体积混凝土预计工期为2021年9月下旬至10月上旬，参考钦州市月平均气温确定其施工期平均气温。

    (2)浇筑温度：塔柱第一节段、下横梁预计工期为高温期至常温期的过渡期，浇筑温度按照前文温度评价标准控制为上限≤30 ℃，同时参考平均气温进行估算。

    (3)模板材质：针对模板和保温层的影响，可使用放热系数βs来等效对流换热系数。混凝土通过保温层对空气进行散热的等效散热系数依据式(5)进行计算：

    (5)

    本工程的计算取风速为4 m/s，粗糙表面在空气中的放热系数β=82.2 kJ/(m2·h·℃)。横梁采用8 mm厚钢模板施工，导热系数λ=163.29 kJ/(m·h·℃)，模板外采用土工布+防雨布，导热系数取为油毛毡导热系数λ=0.167 kJ/(m·h·℃)，求得模板系统βs=75 kJ/(m2·h·℃)；
    塔柱采用木胶合板，求得模板系统βs=30 kJ/(m2·h·℃)。

    (4)养护方法：混凝土周边保留钢模并覆盖防雨篷布，上表面满铺土工布并蓄水保温保湿。

    (5)冷却水：塔柱实心段布设冷却水管，水管水平管间距为100 cm，竖直管间距为85～90 cm，纵横交错布置；
    下横梁因张拉需要不布设冷却水管。

    塔柱实心段单层水管竖向布置为0.5 m+0.9 m+0.85 m+0.85 m+0.9 m+0.5 m(图3)，通水时间为7 d，塔柱入水温度取为25 ℃，水管内径为40 mm，水流量取3 m3/h。

    图3 单层塔柱仿真计算冷却水管布置示意图

    4.3 计算结果分析

    4.3.1 温度计算结果

    在上述条件下，塔柱第一节段、下横梁大体积混凝土最大内表温差、内部最高温度及温度计算结果见表5，均满足规范要求的温度控制标准。

    表5 塔柱第一节段、下横梁大体积混凝土温度计算结果表

    塔柱第一节段、下横梁混凝土内部最高温度包络图见图4。由图4可知，塔柱部分因布设冷却水管而温度较低，横梁部分因未布设冷却水管而温度较高；
    混凝土内部温度最高，表面温度较低，温度控制的核心为“外保内散”，即内部加强通水降温、外部加强养护保温。

    图4 塔柱第一节段、下横梁混凝土内部最高温度包络图(℃)

    4.3.2 应力计算结果

    在上述条件下，塔柱第一节段、下横梁大体积混凝土的不同龄期温度应力计算结果见表6。塔柱第一节段、下横梁不同龄期的最小抗裂安全系数为1.41(≥1.4)，满足最小抗裂安全系数设计指标，如表7所示。

    塔柱第一节段、下横梁大体积各浇筑层混凝土早期膨胀，前3 d温度应力较快发展，是内表温差过大引起的拉应力，主要在构件上表面集中；
    混凝土养护后期，自身开始收缩，3 d后有部分应力向混凝土内部转移并渐渐发展成较稳定状态。

    早期混凝土周边外表面因内表温差较大产生一定应力集中，需通过冷却管通水降低混凝土内部温度；
    另一方面应加强外表面的保温、保湿养护措施，减少混凝土内表温差，防止不断积累的约束而开裂；
    后期混凝土变截面部位有部分应力集中，应加强并延长变截面部位的保湿养护，避免应力集中开裂。

    表6 塔柱第一节段、下横梁温度应力计算结果表

    表7 塔柱第一节段、下横梁抗裂安全系数计算结果表

    (1)塔柱第一节段、下横梁大体积混凝土内部最高温度及内表温差均可满足本文所制定的温度评价标准；
    各龄期安全系数均≥1.4，可满足本文所制定的应力评价标准，抗裂安全性较高。

    (2)塔柱第一节段、下横梁大体积混凝土可以按照预设工况进行施工。如果工况发生改变(如分层变化、配合比变化、浇筑时间变化等)，需对仿真计算结果进行复核。

    (3)下横梁受两侧刚性塔身和底部基础约束容易引起早期开裂，混凝土配合比应考虑掺温缩增韧纤维，泵送工艺的纤维掺量建议为1～2 kg/m3。

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