特大橋高塔承臺(tái)大體積混凝土施工冷卻管降溫與應(yīng)用

魏 煒

(北京市公聯(lián)公路聯(lián)絡(luò)線有限責(zé)任公司，北京 100161)

1 工程概況

永定河特大橋全橋長1 364 m，主橋?yàn)殡p塔斜拉鋼構(gòu)組合體系橋，主橋長639 m，橋?qū)?7 m。全橋共設(shè)兩座主塔，高塔120 m，低塔73 m，分列主河槽兩岸。其中8#墩高塔采用塔梁墩固結(jié)形式，采用高強(qiáng)錨桿與承壓板結(jié)合的錨固方式，高塔南北兩側(cè)承臺(tái)平面為帶倒角的矩形，尺寸為30 m×26.5 m，厚度6 m；8#墩高塔南北兩側(cè)基座為三維不規(guī)則形狀，東西最長32.00 m，南北最寬22.06 m，最厚處12.85 m。

2 大體積混凝土溫控措施

大體積混凝土體量大，相對(duì)散熱面積小，澆筑初期水化熱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度呈指數(shù)形式升高，造成混凝土里表形成高溫差。由于內(nèi)外溫差形成溫度應(yīng)力，混凝土表面由表及里相對(duì)受拉，當(dāng)拉應(yīng)力超過了混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)表面即產(chǎn)生開裂，影響結(jié)構(gòu)完整性和耐久性。因此橋梁承臺(tái)施工中，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部布設(shè)冷卻管、通循環(huán)水來實(shí)現(xiàn)熱交換降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，減小內(nèi)外溫差，為保證工程質(zhì)量。本此工程中8#～1#承臺(tái)中冷卻管分5層布置，采用Φ32 mm×3.25 mm的傳導(dǎo)性能好，具有一定強(qiáng)度的鐵管。

開始澆筑混凝土?xí)r，連續(xù)14 d通入冷卻水，并通過檢測(cè)溫度確定是否延長天數(shù)。為保證冷卻效果，必要時(shí)分段并增加進(jìn)出水口數(shù)量，相鄰層進(jìn)出水口位置注意互換。冷卻管使用完成后，即采用C30水泥漿對(duì)冷卻管端部進(jìn)行灌漿封孔，并將伸出承臺(tái)頂部部分截除。

3 承臺(tái)混凝土施工溫度監(jiān)測(cè)

針對(duì)本工程施工工藝，對(duì)承臺(tái)施工進(jìn)行全過程溫度監(jiān)測(cè)，掌握混凝土澆筑過程中及工后結(jié)構(gòu)最高溫升、表里最大溫差及最大表面與環(huán)境溫差等數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，及時(shí)對(duì)超溫進(jìn)行預(yù)警，確保橋梁承臺(tái)的安全。

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及要求

大體積混凝土施工過程中應(yīng)監(jiān)測(cè)澆注體內(nèi)最高溫、里表溫差、降溫速率及環(huán)境溫度，測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則如下：

(1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置范圍應(yīng)以對(duì)稱軸線的半條軸線為測(cè)試區(qū)，在測(cè)試區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)按平面分層布置；

(2)在每條測(cè)試軸線上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)不少于4處；

(3)沿混凝土澆筑體厚度方向，測(cè)點(diǎn)間距不大于600 mm；

(4)混凝土外表以內(nèi)50 mm處溫度定為結(jié)構(gòu)體外表溫度；

(5)混凝土澆筑體底面上50 mm處的溫度定為結(jié)構(gòu)體底面溫度；

(6)混凝土澆筑體附近布設(shè)環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

(1)結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)：

①本次溫度監(jiān)測(cè)的測(cè)區(qū)取1/4結(jié)構(gòu)范圍，在測(cè)試區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)按平面分層布置；

②每條測(cè)線布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

③沿混凝土澆筑體厚度方向，布設(shè)3層測(cè)點(diǎn)；

④結(jié)構(gòu)體表面和底面測(cè)點(diǎn)布置在外表面以內(nèi)50 mm、底面以上50 mm處；

⑤布設(shè)1個(gè)環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)。

(2)混凝土溫控指標(biāo)：最大溫升<50 ℃；最大里表溫差<25 ℃；最大表面與環(huán)境溫差<20 ℃；最大降溫速率<2 ℃/d。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 承臺(tái)溫度場(chǎng)變化規(guī)律

8#～1#承臺(tái)混凝土澆筑施工從2017年3月3日16∶00開始，至2017年3月4日20∶00結(jié)束，共計(jì)29 h。監(jiān)測(cè)從2017年3月3日16∶00開始，到2017年3月18日17∶00結(jié)束。具體監(jiān)測(cè)頻率見表1。監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，環(huán)境溫度變化范圍為2.1 ℃～19.9 ℃。

表1 溫度監(jiān)測(cè)頻率

中間層10#～18#測(cè)點(diǎn)可分為3條溫度測(cè)線，選取10#～13#測(cè)線繪制溫度沿結(jié)構(gòu)內(nèi)部向表面的變化曲線如圖1所示。

圖1 10#～13#測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

由圖中曲線變化規(guī)律分析可得，混凝土施工及工后內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)基本一致，均隨時(shí)間增加變化分為四個(gè)階段，第一階段為混凝土澆筑過程中，結(jié)構(gòu)體內(nèi)部各點(diǎn)的溫度有所降低，由于在3月施工，環(huán)境溫度低于混凝土入模溫度15.3 ℃，澆筑當(dāng)時(shí)同一層面上的混凝土溫度出現(xiàn)小幅降低；第二階段為結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度急劇上升階段，溫度呈指數(shù)形式升高，由于施工結(jié)束后，混凝土內(nèi)部與外部環(huán)境隔絕，水化熱反應(yīng)釋放大量熱量無法快速消散，10～13#測(cè)點(diǎn)溫度均快速升高，但溫度峰值點(diǎn)隨監(jiān)測(cè)位置不同有顯著差異。位于結(jié)構(gòu)表面附近的13#測(cè)點(diǎn)達(dá)到最高溫27.2 ℃后率先進(jìn)行溫度降低階段，而相對(duì)內(nèi)部的三個(gè)測(cè)點(diǎn)最高溫分別為，42.1 ℃、41.4 ℃、38.4 ℃，位于結(jié)構(gòu)中心的10#測(cè)點(diǎn)溫度最高。由于冷水管的埋設(shè)，循環(huán)冷水及時(shí)帶走水化熱產(chǎn)生的熱量，結(jié)構(gòu)內(nèi)部升溫很快達(dá)到峰值并進(jìn)入降溫階段。由于水化熱反應(yīng)由劇烈轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定后逐漸減慢，釋放的熱量也呈穩(wěn)定降低態(tài)勢(shì)，在冷卻水的循環(huán)作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度穩(wěn)定降低，維持在安全溫度以下。根據(jù)圖中曲線，施工一周后，承臺(tái)內(nèi)部溫度變化即進(jìn)入平穩(wěn)降低階段。結(jié)構(gòu)最大升溫為42.1 ℃，最大里表溫差為20.2 ℃，最大表面與環(huán)境溫差19.6 ℃，各項(xiàng)指標(biāo)均在監(jiān)測(cè)控制要求范圍內(nèi)。

圖2 溫度變化規(guī)律

選擇不同分層中的2組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，提取1#、10#和19#，4#、13#和22#兩組測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，相應(yīng)位置結(jié)構(gòu)溫度的變化規(guī)律如圖3和圖4所示。

圖3 1#、10和19#測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

圖4 溫度測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置示意圖

位于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的10#和13#測(cè)點(diǎn)溫度均高于相同剖面中位于外側(cè)的測(cè)點(diǎn)。圖7中，位于底層的19#測(cè)點(diǎn)溫度明顯高于1#測(cè)點(diǎn)，澆筑過程中1#測(cè)點(diǎn)位于臨空面附近，散熱效率更高。結(jié)構(gòu)內(nèi)部剖面不同位置測(cè)點(diǎn)的散熱效率差異較大，而臨近表面的4#、13#和22#測(cè)點(diǎn)散熱效率基本相同，升溫、降溫過程一致，表里最大溫差僅有11.4 ℃。在環(huán)境與循環(huán)水的作用下，臨近結(jié)構(gòu)表面的混凝土降溫效率高，溫差小形成的溫度應(yīng)力低，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成開裂危害。位于結(jié)構(gòu)中心剖面的測(cè)點(diǎn)最大表里溫差21 ℃，低于溫度預(yù)警值，但需提高中心冷水管的冷水循環(huán)速度，提高降溫效率，降低內(nèi)外溫差。

5 結(jié)論與建議

(1)埋設(shè)冷水管路是降低大體積混凝土水化熱的有效手段，本工程中冷水管降溫效果明顯，結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差始終控制在預(yù)警值內(nèi)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化特征可對(duì)冷水管控溫施工進(jìn)行有效指導(dǎo)。

(2)大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工早期，水化熱劇烈，結(jié)構(gòu)升溫迅速呈指數(shù)形式增長，通過埋設(shè)冷水管的方式進(jìn)行降溫處理，早期應(yīng)加大冷水循環(huán)速度，控制結(jié)構(gòu)最大升溫，防止局部溫度過高產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力而形成結(jié)構(gòu)開裂。

(3)結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于受環(huán)境影響程度低，散熱效率差，混凝土澆筑施工應(yīng)分層進(jìn)行，并對(duì)已澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)加強(qiáng)溫度監(jiān)測(cè)和通水降溫，防止分層施工過程中由于下層混凝土散熱條件變差及上層水化熱影響形成層面之間的高溫差，導(dǎo)致分層間混凝土澆筑質(zhì)量降低，損壞整體穩(wěn)定性。

(4)冷水管路應(yīng)分多個(gè)出入水口布設(shè)，對(duì)不同位置的冷水管路進(jìn)行冷水流速差異管理，位于結(jié)構(gòu)中心內(nèi)部冷水管應(yīng)加強(qiáng)冷水循環(huán)速度，提高內(nèi)部散熱效率。