重力式錨碇錨體施工現場（錨碇大體積混凝土溫控仿真分析與實測研究）

2023-04-13 21:26:52 2

宋超中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司

摘要：基於棋盤洲長江大橋北錨碇的施工，研究大體積混凝土的抗裂安全性評價指標。分別建立了支墩及基礎、錨塊及後澆帶的有限元分析模型，重點分析了入模溫度、內部最高溫度及內表溫差對大體積混凝土抗裂性的影響。研究表明，大體積混凝土入模溫度宜控制為5℃～28℃,內部最高溫度宜控制為不高於75℃,內表溫差宜控制為不大於25℃,同時降溫速率宜控制為不大於2.0℃/d。

關鍵詞：錨碇;大體積混凝土;溫度控制;開裂;仿真分析;實測研究;

基金：中國鐵建股份有限公司科技研究開發計劃項目，項目編號18-A03;

1 研究背景

大體積混凝土的裂縫主要由溫度變化引起。提高大體積混凝土的抗裂性能，可採取降低混凝土的水化放熱總量、減少混凝土結構內外溫差等措施[1]來實現。為了評估大體積混凝土的抗裂安全性，張玉平等[2]對太洪長江大橋北岸重力式錨碇支墩基礎進行分析研究，並通過分析間隔期、冷卻水的流速及通水時間3個溫控指標參數，得出該工程分層澆築的間隔期宜控制在5～7 d, 澆築初期冷卻水的流速不應小於1 m/s, 通水時間至少持續至下個施工階段結束；尤俊剛[3]從混凝土入模、澆築等方面探討了大體積混凝土溫控施工技術；拓筱楊[4]針對冷卻管布置方式對溫度控制的影響進行數值模型分析，結果表明2 m×1 m為較好的冷卻管布置間距；Gajda等[5]從大體積混凝土的施工與養護方面提出了控制溫度裂縫的措施；針對大體積混凝土溫度發展的預測，Bobko等[6]提出了改進施密特法。一般而言，通過控制混凝土溫度應力來預防大體積混凝土的裂縫，而混凝土內部最高溫度等因素對溫度應力起著決定性作用，所以對這些因素的把握尤為重要。本文重點進行內部最高溫度等控制標準的有限元仿真分析，並與實測值進行對比研究。

2 工程概況與分析模型2.1工程概況

棋盤洲長江大橋位於黃岡市，主橋為單跨懸索橋，橋跨為340 m 1 038 m 305 m。主橋北錨碇採用重力式嵌巖錨，包括錨塊、支墩基礎等組成部分。其中，支墩基礎為60.0 m×24.1 m×6.6 m, 支墩為13.4 m×13.1 m×16.2 m, 錨塊為60.0 m×35.357 m×33.064 m, 採用C30混凝土。這些構件均為大體積混凝土，為保證構件的安全性和耐久性，需對構件混凝土進行溫控防裂設計。

2.2錨碇大體積混凝土施工方案

為了控制混凝土內部溫度及溫度應力，需根據溫控要求對大體積混凝土進行分塊、分層澆築，如圖1所示。將錨碇在水平方向分左右錨塊、左右散索鞍支墩及基礎4大塊進行施工，在豎直方向分6大塊進行施工；錨塊分15層澆築，散索鞍支墩基礎分3層澆築，散索鞍支墩分6層澆築，前錨室側牆分9層澆築，前錨室頂板及後澆帶均為一次性澆築。

錨碇混凝土施工順序為：錨塊→散索鞍支墩基礎→散索鞍支墩→錨塊後澆帶、散索鞍支墩基礎後澆帶→前錨室側牆→主纜架設→前錨室頂板。

2.3抗裂安全性評價指標

溫度裂縫常出現在混凝土表面，且易形成貫穿性裂縫[7,8,9]。可從兩方面對大體積混凝土抗裂安全性進行評價：一方面是特徵溫度控制值，如入模溫度、內部最高溫度及內表溫差等，可將混凝土溫度仿真計算值及後期實測值與相關規範的規定值進行對比分析；另一方面是抗裂保證率，可間接通過安全係數的控制標準進行評價。

圖1 錨碇三維結構示意

2.3.1溫度評價指標

本項目對混凝土入模溫度的控制值為≥5℃且≤28℃;混凝土內部最高溫度應在入模溫度基礎上實際溫升值不大於50℃,且內部最高溫度不應超過75℃;對混凝土最大內表溫差控制在25℃以內。

2.3.2應力評價指標

根據大體積混凝土溫度應力抗裂性能的調研結果，得出本工程抗裂安全係數取值不小於1.4。

2.4大體積混凝土仿真計算2.4.1模型參數

根據施工方案，採用Abaqus建立有限元模型。考慮錨塊結構的對稱性，取單幅進行溫度應力仿真計算。具體計算模型網格剖面圖如圖2所示。

圖2 錨塊大體積混凝土1/2網格剖面圖 (附帶墊層約束)

錨碇為嵌巖錨，四周為泥質砂巖約束，等效C20混凝土。錨塊水平方向分2塊，每塊15層，澆築厚度為2.2 m×2層 1.9 m×1層 2.2 m×2層 1.9 m×1層 2.2 m×8層 2.864 m×1層。錨塊採用C30大體積混凝土，混凝土原材料及配合比設計見表1。

表1 錨碇C30大體積混凝土配合比

kg/m3

結構部位	混凝土配合比
亞東P·O42.5水泥	國信揚州Ⅱ級粉煤灰	九江中冶S95級礦粉	武漢浩盛抗滲劑	浠水巴河砂	宏發5～31.5 mm三級配碎石	自來水	聚羧酸緩凝減水劑
錨碇	167	113	68	22	793	1 093	144	4.07

2.4.2邊界條件

錨塊於2017年8月24日～2017年12月21日施工，錨塊各澆築層澆築時間及相應平均氣溫見表2。由表2可以看出，錨塊1～4層需要通過常規原材料溫度控制措施控制入模溫度≤28℃,其他層入模溫度可直接根據氣溫情況進行計算。

表2 錨塊大體積混凝土預計澆築時間及澆築溫度取值

℃

構件	澆築層	澆築時間	平均氣溫	骨料溫度	拌和水溫度	出機口溫度	入模溫度
錨塊	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

錨塊大體積混凝土澆築邊界條件見表3,除嵌巖部分外錨塊混凝土採用鋼模，表面等效散熱係數取80 kJ/(m2·h·℃)。

表3 錨塊大體積混凝土邊界條件

構件	模板材質	澆築間隔期/d	氣溫/℃	入模溫度/℃	養護方法	冷卻水布設(水平管間距×豎直管間距)/cm
錨塊	鋼模	7	(9～27)±5	20～28	側面帶模，上表面蓄水	100×100

3 仿真計算結果3.1溫度計算結果

根據以上邊界條件計算得出內部最高溫度等結果見表4。結果表明，錨塊大體積混凝土內部最高溫度及最大內表溫差均出現在澆筑後約第3 d, 計算結果均符合制訂的溫度標準。

表4 錨塊溫度計算結果

℃

澆築層	第1層	第2層	第3層	第4層	第5層	第6層	第7層	第8層
內部最高溫度	53.6	53.9	53.0	54.0	51.6	50.8	51.8	49.6
最大內表溫差	21.1	21.7	20.9	21.6	20.8	20.3	20.7	19.7
澆築層	第9層	第10層	第11層	第12層	第13層	第14層	第15層
內部最高溫度	49.9	49.6	49.7	48.7	48.1	48.1	49.8
最大內表溫差	19.9	19.6	19.7	19.3	19.0	19.0	19.8

3.2應力計算結果

根據以上邊界條件計算得出混凝土溫度應力等結果，見表5。由表5可以看出，錨塊各層最小抗裂安全係數為1.47≥1.4,符合制訂的應力標準。

表5 錨塊溫度應力計算結果

結構部位	溫度應力/MPa	安全係數
3 d	7 d	28 d	180 d	3 d	7 d	28 d	180 d
第1層	0.61	0.54	1.01	1.08	2.79	4.07	2.57	2.87
第2層	1.05	0.91	1.15	1.59	1.62	2.42	2.26	1.95
第3層	0.77	0.63	1.36	1.69	2.21	3.49	1.91	1.83
第4層	0.87	0.69	1.71	1.54	1.95	3.19	1.52	2.01
第5層	1.13	1.11	1.60	1.63	1.50	1.98	1.63	1.90
第6層	0.98	0.81	1.69	1.55	1.73	2.72	1.54	2.00
第7層	1.00	0.78	1.67	1.29	1.70	2.82	1.56	2.40
第8層	0.78	0.69	1.54	1.33	2.18	3.19	1.69	2.33
第9層	1.04	0.86	1.77	1.76	1.63	2.56	1.47	1.76
第10層	0.78	0.64	0.76	0.87	2.18	3.44	3.42	3.56
第11層	0.67	0.57	0.75	0.84	2.54	3.86	3.47	3.69
第12層	0.73	0.53	0.76	0.83	2.33	4.15	3.42	3.73
第13層	0.68	0.55	0.68	0.83	2.50	4.00	3.82	3.73
第14層	0.69	0.58	0.50	0.74	2.46	3.79	5.20	4.19
第15層	0.81	0.67	0.53	0.48	2.10	3.28	4.91	6.46

3.3結果分析

選取第2層、6層、8層、12層、14層作為代表層(兼顧有腔室部分及無腔室部分、地面以下部分及地面以上部分)。各齡期應力場分布如圖3～圖7所示。可以看出，錨塊各澆築層混凝土早期膨脹，在第3 d時混凝土出現溫峰及最大內表溫差，且混凝土溫度應力發展較快，集中於構件上表面，為內表溫差引起的拉應力；後期由於混凝土的收縮，構件上表面的應力向構件內部傳遞並逐漸穩定，同時混凝土的內表溫差也平穩下來，但在錨塊空腔部位，仍然有應力集中現象。為避免後期混凝土約束累積導致的開裂，錨塊空腔部位要採取長期保溫保溼養護措施。

圖3 第2層溫度應力場分布

圖4 第6層溫度應力場分布

圖5 第8層溫度應力場分布

圖6 第12層溫度應力場分布

圖7 第14層溫度應力場分布

4 實測結果

混凝土溫度監測在2017年12月30日10:00～2018年10月22日10:00進行，每個澆築塊的監測周期為8～14 d。北錨塊各層混凝土溫度特徵值監測數據如圖8所示，並與仿真分析結果相對比。

由圖8可知，混凝土內部最高溫度實測值為68.8℃,符合≤75℃的控制標準；混凝土最大內表溫差實測值最高為21.9℃,符合≤25℃控制標準。同時，實測發現，溫峰後前期降溫速率為0.4～3.6℃/d,略大於≤2.0℃/d的控制標準，原因是錨錠前後以基巖圍護，散熱面比較大。後期經調整水管降溫速率控制為0.4～2.0℃/d,符合≤2.0℃/d的控制標準。

圖8 混凝土溫度計算值和實測值

棋盤洲長江公路大橋北錨塊大體積混凝土溫控監測歷時近11個月。從監測結果來看，基本滿足溫控標準。從施工結果來看，構件上未出現影響其安全性能的有害裂縫，故施工滿足溫控要求。

結合有限元仿真結果和本工程的實測數據，在參考相關規範[10,11,12]10-12]後，針對大體積混凝土的施工，制訂了相關的溫度控制標準，見表6、表7。

表6 大體積混凝土溫控標準主要指標

構件	入模溫度℃入模溫度℃	內部最高溫度℃最高溫度℃	內表溫差℃內表溫差℃	降溫速率℃/d降溫速率℃/d
支墩及基礎	≥5且≤28	≤75	≤25	≤2.0
錨塊	≥5且≤28	≤75	≤25	≤2.0
後澆帶	≥5且≤28	≤50	≤25	≤2.0

表7 大體積混凝土溫控標準參考指標

℃

構件	新澆混凝土溫度與下層已澆混凝土溫度之差	冷卻水管出水溫度與進水溫度之差	冷卻水溫度與混凝土內部溫度之差	混凝土表面與大氣或與養護環境溫度之差	養護水溫度與混凝土表面溫度之差
支墩及基礎、錨塊、後澆帶	≤20	≤10	≤25	≤20	≤15

5 結語

以棋盤洲長江大橋北錨碇的施工為背景，對大體積混凝土施工的溫控標準進行了研究，主要結論如下。

(1)外部氣溫、結構的尺寸以及混凝土配合比等因素均會影響混凝土的溫度，因此需要根據具體情況確定相應的控制方法，在設置主控標準控制溫度的同時，輔以參考標準把握混凝土溫度的發展。

(2)控制大體積混凝土施工溫度的主要原則有：控制混凝土的入模溫度，減少由混凝土水化熱所導致的升溫，通過溫度控制措施減緩混凝土的降溫速率，控制內表、新舊混凝土的溫差，並降低混凝土與自然環境的溫差。

(3)大體積混凝土入模溫度宜控制在5℃～28℃,內部最高溫度宜控制在75℃以內，內表溫差宜控制在25℃以內，降溫速率宜控制在2.0℃/d以內。

參考文獻

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