錨碇分層澆筑施工層高選擇分析

楊秀剛

貴州路橋集團(tuán)有限公司 貴州 貴陽 550000

1 問題的提出

烏江大橋是貴州省湄潭至石阡高速公路上跨越烏江河谷上的一座大型橋梁，主跨為單跨680米鋼桁加勁梁懸索橋。烏江大橋錨碇均為重力式錨碇，錨碇主要分支墩基礎(chǔ)、錨塊、散索鞍支墩、前錨室和錨固系統(tǒng)五塊，錨碇橫橋向?qū)挾?0m，順橋向長度46.5m。左右幅錨塊間、支墩基礎(chǔ)間、錨塊與支墩基礎(chǔ)間均設(shè)置 2m 寬后澆段，錨碇錨塊、散索鞍支墩基礎(chǔ)采用C30混凝土，前錨室及散索鞍支墩采用C40混凝土，錨碇施工大體積混凝土總方量為38580.7m3，其中C30混凝土為35478 m3，C40混凝土為3102.7 m3。錨碇混凝土澆筑完成后混凝土內(nèi)部溫度分布規(guī)律一般為基礎(chǔ)中心溫度最高，并向表面依次降低，并且從基礎(chǔ)中心向表面溫度梯度越來越大，常采用平面分區(qū)和豎向分層相結(jié)合的澆筑方式進(jìn)行施工，由于混凝土的澆筑方量大，水化熱問題突出，常采用低水化熱水泥，降低膠凝材料中的水泥用量，加大粉煤灰摻合比例、降低混凝土入模溫度、加強(qiáng)后期養(yǎng)生管理等方法來防止混凝土開裂。本文通過對烏江大橋錨碇分層澆筑施工層高分析，建立不同層高的水化熱分析模型，確定合理的層高，達(dá)到既可預(yù)防溫度裂縫，保證工程質(zhì)量，又能縮短工期，節(jié)省施工成本的目的。本文將混凝土一次性澆筑層高分別設(shè)計為2m、3m，從技術(shù)可行性、工期、經(jīng)濟(jì)性等方面分析采用不同層高澆筑混凝土對工程施工的影響。

2 錨碇施工分層澆筑設(shè)計

2.1 錨碇不同層高澆筑溫控建模對比分析

考慮錨碇大體積混凝土結(jié)構(gòu)具有對稱性，采用Midas/FEA建立錨碇基礎(chǔ)1/4模型以便查看內(nèi)部溫度和應(yīng)力分布，單元采用8個節(jié)點(diǎn)空間等參單元，通過映射網(wǎng)格劃分的方式均勻的劃分單元，避免相鄰單元之間大小不均勻變化而出現(xiàn)突變，錨碇基礎(chǔ)1/4模型總共劃分為46384個節(jié)點(diǎn)，11398個單元。建立2m和3m的計算模型如圖1所示，經(jīng)初步計算分析，確定內(nèi)部管冷模型如圖2所示。

圖1 錨碇支墩基礎(chǔ)模型

圖2 內(nèi)部管冷模型

利用有限元軟件分析錨碇混凝土澆筑層高2m與3m時，均能實(shí)現(xiàn)溫度控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)，不同之處主要體現(xiàn)在管徑大小的選擇、管冷的布置和水的流速控制等。澆筑層高2m時冷卻水管管徑采用Φ40，壁厚2.0mm，縱橫向每1m布置一層，布置兩個進(jìn)水管，兩個出水管。澆筑層高3m時冷卻水管管徑采用Φ48，壁厚2.5mm，冷卻水管為三個進(jìn)水管，三個出水管，即組成3個回路管冷單元，管冷鉛垂方向間距分配從底面往上為0.6：0.9：0.9：0.6，水平間距控制在1m。為了更加合理有效的控制混凝土內(nèi)外溫差，在混凝土澆筑完成后不但需準(zhǔn)確地進(jìn)行溫度監(jiān)測，而且應(yīng)精心地組織施工養(yǎng)護(hù)，增強(qiáng)保溫保濕養(yǎng)護(hù)，在高溫期進(jìn)一步加強(qiáng)混凝土表面保持濕潤的養(yǎng)護(hù)措施。

2.2 錨碇不同層高一次性澆筑溫度場和應(yīng)力場分析

通過有限元程序分析得到錨碇澆筑層分別取2m和3m時溫度場和應(yīng)力場分布結(jié)果，取錨碇第二澆筑層進(jìn)行結(jié)果對比。第二澆筑層最高溫度等值線對比圖如圖3所示，最大應(yīng)力場分布對比圖如圖4所示，一般情況下，混凝土澆筑完成第72h后混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到最大，選取這時的溫度等值線和應(yīng)力云圖進(jìn)行對比分析。

圖3 錨碇第2澆筑層最高溫度等值線對比圖

圖4 錨碇第2澆筑層最大應(yīng)力分布對比圖

分析圖3～圖4可知，一次性澆筑層高為2m，72h時第2澆筑層內(nèi)部最高溫度為56.4℃，最大拉應(yīng)力為0.70MPa，一次性澆筑層高為3m，72h時第2澆筑層內(nèi)部最高溫度較前者略有增大，為59.3℃，最大拉應(yīng)力也相應(yīng)增大到1.07MPa。澆筑層高為2m、3m時內(nèi)部最高溫度均小于規(guī)范允許值75℃，最大拉應(yīng)力也小于C30抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.43MPa，表明結(jié)構(gòu)安全。在降溫階段，由于降溫速率須控制在2℃/d，故澆筑層高為3m時降溫冷卻時間即內(nèi)部溫度場達(dá)到穩(wěn)定均勻較層高2m延后一天，約在澆筑完成后第七天內(nèi)部溫度場趨于穩(wěn)定均勻。

2.3 錨碇不同層高一次性澆筑配合比設(shè)計

由于錨碇澆筑3m混凝土方量相對增加了1/3，混凝土水化熱反應(yīng)引起的溫度也會有明顯的提高，故原有配合比材料需重新選擇，采用C30微膨脹聚丙烯合成纖維抗?jié)B混凝土。經(jīng)反復(fù)試配，澆筑層為2m的配合比如下表1所示，澆筑層為3m的配合比如下表2所示。選擇微膨脹聚丙烯合成纖維抗?jié)B混凝土，其原因是聚丙烯合成纖維可以明顯改善混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，可有效地提高了混凝土的抗裂性能，但施工成本提高。

表1 錨碇C30砼每立方米材料用量表/ kg/m3

表2 C30微膨脹聚丙烯合成纖維抗?jié)B混凝土配合比/ kg/m3

2.4 錨碇不同層高一次性澆筑工期分析

采用2m層高一次性澆筑混凝土，施工工藝成熟，施工過程保溫措施要求較低，工期相對較長。采用3m層高一次性澆筑混凝土，混凝土鑿毛時間可以節(jié)省1/3，混凝土養(yǎng)生、模板施工和冷卻水管布置等時間延長，水化熱完全反應(yīng)需要的時間延長1天，但總體統(tǒng)計分析可節(jié)省工期約1/4，而且可根據(jù)實(shí)際施工時節(jié)，有對針對性的避開夏季高溫天氣施工，降低對混凝土的養(yǎng)生要求，降低混凝土開裂的風(fēng)險。例如，烏江大橋錨碇基礎(chǔ)和錨碇錨塊高度分別為13m和33.5m，采用2m施工時總工期約為180天，采用3m施工時總工期約為140天，可節(jié)省工期約40天。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

采用2m層高一次性澆筑混凝土，水泥用量減少，混凝土單價相對較低，施工模板容易操作，冷卻水管和接頭用量相對較少，混凝土養(yǎng)生時間較短，但增加了混凝土鑿毛工作量。采用3m層高一次性澆筑混凝土?xí)r，采用聚丙烯合成纖維抗?jié)B混凝土，單價相對較高，模板施工難度增大，冷卻水管和接頭用量增多，但總體工期可節(jié)省1/4，總體經(jīng)濟(jì)性需綜合分析確定，施工時可以根據(jù)工程實(shí)際合理選擇。當(dāng)然，采用3m層高一次性澆筑錨碇時，盡可能的降低入模溫度，盡量能避免高溫施工，亦可引進(jìn)大體積混凝土智能溫控水冷卻系統(tǒng)，以便及時有效的控制冷卻水的流速和進(jìn)出水溫差，相比人工調(diào)節(jié)更加精確和方便，避免傳統(tǒng)施工中靠施工經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)冷卻水的流速和進(jìn)水溫度，可大大降低溫度控制的難度和混凝土開裂的風(fēng)險，但會額外增加施工成本。

4 結(jié)論

以烏江大橋錨碇施工為工程背景，從技術(shù)可行性、工期、經(jīng)濟(jì)性等方面分析采用不同層高澆筑混凝土對工程施工的影響，得出如下結(jié)論：

1）采用2m、3m不同層高一次性澆筑混凝土，方案總體均可行，只要適當(dāng)控制配合比設(shè)計，優(yōu)化布置好水冷系統(tǒng)，合理有效的控制混凝土內(nèi)外溫差，加強(qiáng)養(yǎng)生管理，施工期水化熱溫度場和應(yīng)力場可控，不會出現(xiàn)裂縫。

2）從工期和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，2m層高澆筑混凝土，施工工藝成熟，工期相對較長。澆筑3m由于鑿毛時間縮短、一次性澆筑混凝土方量相對較多，總工期相對縮短約1/4，但混凝土材料選用標(biāo)準(zhǔn)提高、冷卻水管材料和布置投入相對較多，對進(jìn)出水溫度控制的要求更高，養(yǎng)生手段更嚴(yán)，模板的施工和組拼難度增大，總體經(jīng)濟(jì)性需綜合分析確定，施工時可以根據(jù)工程實(shí)際合理選擇。