桥梁工程论文发表大桥拱座施工温度应力分析与控制

　　摘 要：温度应力是影响大体积混凝土开裂的重要因素。本文采用有限元结构软件对太平湖大桥铜陵岸拱座进行了混凝土施工期的温度应力初步分析, 分析中考虑了混凝土的弹性模量、徐变等参数随龄期变化和分层浇筑对拱座温度应力的影响。提出了防止施工过程中由于外界温度变化及水泥水化热等因素引起裂缝的措施, 并通过部分监控数据对拱座温度变化规律进行了分析，为同类工程施工提供参考。

　　关键词：拱座施工,水化热,温度应力分析,温度控制

　　水泥水化热、外界气温、约束条件而产生的结构温度的变化和因此而产生的温度应力是结构物产生裂缝的重要原因，温度应力主要发生在结构施工初期且宽度较大，分为由浇筑开始表面和内部温差引起的表面张拉应力，以及当混凝土浇筑完成后，水化热引起的温度先上升后下降带来的收缩受到外界约束时的内部张拉应力，不但影响到结构的承载力和设计效果，而且对结构的安全性和耐久性也有重要影响[1~4]。因拱座是大跨径钢管混凝土提篮拱桥的重要受力部位，其施工的好坏直接影响到桥梁结构的整体受力性能。本文对太平湖大桥拱座混凝土施工的温度应力、温度控制措施、温度控制检测等问题进行初步研究，得到了一些具有工程应用价值的有效方法。

　　1 拱座施工概况

　　太平湖大桥是铜陵至汤口高速公路上的一座特大桥，位于太平湖柳家梁峡谷风景区，桥梁全长504m，桥宽30.8 m。其中主桥为中承式钢管混凝土提篮拱桥，计算跨径336m，横跨太平湖区。引桥为部分预应力混凝土简支转连续箱梁，计算跨径20m，铜陵岸设4孔，汤口岸设3孔。太平湖大桥拱座采用明挖扩大基础，全桥共设四个分离式拱座基础，同一岸的两个基础采用横系梁连接，并设预应力以克服拱座的横向水平分力。因拱座体积比较大，为节约材料和减小水化热，从拱脚截面到拱座底面分层采用了不同标号的混凝土，由下至上分别为C20、C40和C50铜陵岸拱座基底标高101.00m，基底尺寸18.601×18.111m，拱座高21.05m，体积5040.8 m3，基底岩层为弱风化粉砂岩，容许承载力为1800KPa。汤口岸拱座基底标高94m， 基底岩层为弱风化粉砂岩，容许承载力为1000KPa，基底尺寸24.073×23.947m，拱座

　　高28.05m，体积10880.4 m3。拱座配置φ20、φ16的局部加强钢筋网和φ16的面层钢筋网。

　　2 温度应力分析

　　通过MIDAS结构分析软件进行热传导分析得到各时间段的节点温度分布以及材料随时间变化的特性、混凝土随时间变化的收缩、混凝土随时间和应力变化的徐变等参数，由于四拱座具有相似的施工特点，仅初步计算与分析太平湖大桥铜陵岸拱座各施工阶段应力。

　　2.1 计算条件与参数

　　根据铜陵岸拱座复杂的结构特点，取全拱座模型进行计算;为正确反应结构物的水化热传播过程，将基岩建成具有比热和热传导率等特性的构件，按强风化岩考虑，其弹性模量取25GPa;由于铜陵岸拱座施工时大气温度全年平均气温为18.6℃。具体材料与基岩计算参数见表1。

　　2.2 离散模型

　　铜陵岸拱座混凝土经过结构离散，由10260个节点和10404个实体单元组成，结构离散模型见图2。混凝土按13层浇筑，浇筑厚度分别为1.4~3.5m不等，最大厚度3.5m为第一施工阶段。通过有限元软件模拟施工过程中结构的逐步增长，相应的计算模型和边界条件逐渐改变的情况;考虑施工环境和施工措施的逐渐改变等。

　　在温度场的计算过程中，水泥的水化热作为主要温度载荷施加在已激活的各个节点上。拱座混凝土的浇筑温度场是瞬态的和有内热源的，主要的传热方式为热传导和热对流。因热辐射影响较小，忽略不计。根据实际施工状况，模拟实际对流和热生成情况，施加荷载，确定边界条件。

　　2.3 初步计算结果与分析

　　混凝土浇筑后一般在3d 后即达到温度峰值，温峰持续8 h 后温度开始下降，初期降温速度较快，以后降温速率逐渐减慢，至15～20d后降温平缓，温度趋于准稳定状态。第一层混凝土内部最高温度约为58.7℃，第二层混凝土内部最高温度约为61.3 ℃。混凝土应力计算显示，混凝土应力最大值出现在第一层中部和第二层中部偏下，根据离散模型分析，表2阐述了部分时间的主拉应力计算值。

　　计算表明：拱座混凝土早期(14d 左右)最大温度应力约为0.613MPa，而C20混凝土劈裂抗拉强度1.3~1.6 MPa ，抗裂安全系数K≈2.0，后期也有2.0以上的抗裂安全系数，同时表明，不同标号混凝土因含水量差异后期拉应力变化明显，高标号峰值后变小，低标号反之。

　　3 施工温度控制措施

　　配合比、水泥品种、温控措施、施工时的外界温度及块体尺寸都直接影响大体积混凝土的温度特性。

　　3.1 优化混凝土配合比

　　降低水化热温升合理选择级配良好的砂、石料，选择优良的混凝土外加剂，控制混凝土配合比，节约水泥用量，是降低混凝土内部水化热温升的重要环节。

　　3.1.1混凝土的材料选择

　　(1) 水泥。混凝土水化热主要来自水泥胶凝材料。应尽量选择C3A、C3S含量少、水化热低的矿渣水泥及中热水泥。使用温度不得超过50℃，否则必须采取措施降低水泥温度。

　　(2) 砂石料。采用中粗砂，细度模数为2. 3～3. 1 ，属Ⅱ级配范围，含泥量≤2%，入场后应分批检验。石子颗粒级配为5～30mm连续级配或二级配。石子必须分批检验严格控制其含泥量不超过1.5 %。

　　(3) 粉煤灰与外加剂。粉煤灰入场后应分批检验，质量应符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB1596 -91) 的规定。掺加缓凝型高效减水剂FDN-5。外加剂在使用前称量分包，在混凝土搅拌过程中采用后掺。

　　3.1.2　混凝土配合比

　　混凝土初始坍落度控制在16～20cm ，初凝时间大于15h。施工采用配合比如表3。

　　3.2混凝土温度估算

　　在每次开盘之前，试验室要量测水泥、砂、石、水的温度，专门记录，计算其出机温度，并估算浇筑温度，计算方法[5]如下：

　　(1)混凝土的出机温度T0

　　T0 = (0. 20 + QS ) WS TS + (0. 20 + Qg) WgTg +0.20WCTC + ( WW - QSWS ) TW/ 0. 20 ( WS + WG + WC) +WW

　　(2)混凝土的浇筑温度

　　Tp = T0 + ( Tn - t0) (θ1 +θ2 +θ3 +……+θn)

　　温度估算的目的是现场控制温度应力，避免温度裂缝。因此在大体积混凝土的施工中应对混凝土的最高温度和最高温升进行限制。要求混凝土内部的温度梯度缓和。一般应对混凝土内外温差和相邻层温差进行现场控制，并作为温控的主要内容。由于拱座混凝土的尺寸和所受约束各不相同，所以应采取不同的温控估算标准。温控标准是由温度和温度应力计算得出并在施工过程中进行科学调整。

　　3.3 拱座混凝土的分层

　　为减少大体积混凝土水化热而引起的收缩裂缝及根据现场实际施工条件，需对拱座混凝土进行分层浇筑。分层以冷却管大致分布在每次所浇混凝土的中间及分层厚度不超过2m及分层混凝土方量不超过1000m3为原则。铜陵左右幅均分13层浇筑完成，最大层方量为634 m3。汤口岸拱座左右幅均分20层浇筑完成，最大层混凝土方量为921m3。

　　3.4 现场混凝土施工要求

　　混凝土按规定厚度、顺序和方向分层浇筑，必须在下层混凝土初凝前浇筑完毕上层混凝土。混凝土分层浇筑厚度不宜超过0. 3 m ，并保持从仓面一侧向另一侧浇筑的顺序和方向。严格按《混凝土结构施工规范》要求进行层间水平施工缝处理。混凝土浇筑完毕后，自混凝土初凝以前应进行二次振捣。

　　3.5 混凝土的养护

　　从理论上分析，新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余，但由于蒸发等原因常引起水分损失，从而推迟或妨碍水泥的水化，表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。且拱座混凝土浇筑工期较紧，一般在下层混凝土温度峰值刚过就接着本层的混凝土施工，各层混凝土浇筑间歇期仅控制在7天。这样下层的混凝土温度会出现反弹现象且不易散失。在深基坑中的大体积混凝土工程采用蓄水养生容易浸泡坑壁，影响边坡的稳定，故可采用麻袋或草袋覆盖混凝土表面并不间断采用冷却水管出水口温水直接用于混凝土表面养生，以减少混凝土内外的温差。

　　3.6 通水冷却

　　通水冷却是从散热降温角度出发，即在混凝土内部预埋水管，通入冷却水，由此带走混凝土内部的部分热量，以降低混凝土内部的最高温度。

　　3.6.1 冷却水管的布置

　　根据混凝土内部温度分布特征，在每层混凝土中埋设一层冷却水管，冷却水管为Φ42×2.5mm 的薄壁钢管，其水平间距为1.182 m，冷却水管距混凝土表面大于1.15 m，每根冷却水管长度不超过200mm ，冷却水管进出口集中布置，以利于统一管理。冷却水为江水或深井水，按照由热中心区流向边缘区的原则，进水管口设在靠近混凝土中心处，出水管口设在混凝土边缘区。图3为冷却水管布置图：

　　3.6.2 冷却水管的控制

　　冷却管安装时以钢筋骨架和支撑桁架固定牢靠，以防止混凝土浇注时水管变形及脱落而发生堵水或漏水，并做通水试验。冷却水管在该层开始浇注时开始通水，在混凝土养护过程中对冷却水进出口温差进行同步监控。通水流量应达到25 L/ min，通水时间根据测温结果确定。严格控制进出水温度，进出水口温差一般在15℃以内，在通水冷却过程中，始终要注意冷却水的温度与混凝土内部的差值不能大于25℃，以防止水管周围产生温度裂缝。在保证冷却水管进水温度与混凝土内部最高温度之差不超过30℃条件下，当过大或过小应及时调整水温及流量。尽量使进水温度最低待主通水冷却全部结束后，应采用同标号水泥浆或砂浆封堵冷却水管。

　　4 拱座混凝土温控监测

　　在大体积混凝土的温控测量中，需要测试的温度参数有混凝土的拌合温度、入模温度，沿断面方向的温度分布曲线。温度监测工作为大体积混凝土浇注施工及时准确地采取温控对策提供科学依据。

　　4.1 混凝土现场温度检测

　　根据温度计算成果，为做到信息化施工，真实反映各层混凝土的温控效果，以便出现异常情况及时采取有效措施，本工程在拱座中布置28个温度测点。测点布置在1/ 4范围并沿水平方向布置，测点布置图如图4所示。各项测试项目宜在混凝土浇筑后立即进行，连续不断。混凝土的温度测试，峰值以前每2h监测一次，峰值出现后每4h监测一次，持续5d ，然后转入每天测2次，直到温度变化基本稳定。温度传感器为PN结温度传感器，温度监测仪采用PN-4C型数字多路巡回检测控制仪，同时配合普通温度计，以便进行校核。

　　4.2 温度检测结果分析

　　4.2.1浇筑层中心与表面温度变化规律

　　施工区域属北亚热带季风过渡区，年季多年平均温度16.1℃。年气温1月份最低，平均3.3℃，7月份最高，平均28.6℃。根据实测的拱座温度资料，拱座第一次浇筑层中心部位温度22h后比入模温度升高一倍，约44h达到温度最高值，持续24h后即开始下降，5～7d后逐步趋向平稳。拱座第二次浇筑时间在第一层开始下降后进行浇筑，由于下层混凝土对上层新浇混凝土的影响，第二层中心部位达到最高值，达67℃，持续时间14h ，即较急剧下降，冷却水停止，稍有反弹，8d后趋向平稳。大体积混凝土结构在浇注初期，温升速度很快，

　　由图5可知，混凝土内部温升的高峰值一般3～5d内产生，3d内温升可达到或接近最大温升，一般可达到55℃～70℃，此后趋于稳定，并开始降温。表面温度开始随气温变化，当混凝土内部的温度与表面温差过大时，就会产生温度应力和温度变形，但由于混凝土的导热性能较差，混凝土的内部温度聚集在结构物内部长期不易散失，混凝土内部不存在的温度梯度足以使混凝土内部逐级开裂。

　　4.2.3冷却水温度情况

　　拱座所布冷却水温度进水口出水口如图6所示，受混凝土内部水化热影响，出水口温升的高峰值一般2～4d内产生，待达到最高温度后开始缓慢下降，而进水口温度值波动随外界的环境变化影响较大。

　　5 结 语

　　(1) 通过对太平湖大桥铜陵岸拱座各施工阶段应力混凝土温度应力的初步计算与分析。结合大桥拱座施工的基本特性，为拱座大体积混凝土分层浇筑厚度及优化施工方案提供初步科学依据。

　　(2) 通过优化配合比、改善水泥品种，结合实际监测的温度场分布及施工时的外界温度和工序特点，建立初步温控标准。

　　(3) 减少混凝土内外温差，采取保温及缓慢降温方法减少混凝土表面的急剧热损失，防止形成过大的温差而引起表面贯穿裂缝。充分发挥混凝土的应力松弛效应，提高抗拉性能，是防止产生裂缝的有效措施。

　　(4) 太平湖大桥拱座混凝土大体积施工当中，由于计算准确、措施得当、现场施工组织严密，拱座运行状态良好。

　　参考文献：

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　　[5]朱伯芳,大体积混凝土温度应力与温度控制[M],北京:中国电力出版社,1996