千米級懸索橋錨碇大體積混凝土溫控技術(shù)研究

解振乙

摘要 以納晴高速公路山區(qū)千米級懸索橋牂牁江特大橋晴隆岸錨碇大體積混凝土澆筑為例，研究錨碇混凝土在澆筑及養(yǎng)護過程中溫度變化規(guī)律與控制措施。施工現(xiàn)場通過自主研發(fā)的模塊化大體積混凝土溫控系統(tǒng)，結(jié)合理論計算、科學有效的控制措施，在錨碇混凝土的澆筑溫度控制中起到了良好的效果，使得混凝土的溫度應(yīng)力場及內(nèi)外約束力得到有效控制，確保了錨碇混凝土的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 錨碇;大體積混凝土;溫度控制; 懸索橋

中圖分類號 U416.14 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0041-03

0 引言

隨著工業(yè)化、制造裝備的快速發(fā)展，我國大跨徑懸索橋的設(shè)計和施工技術(shù)取得了巨大的成就。在整個懸索橋的結(jié)構(gòu)體系中，錨碇作為懸索橋的重要結(jié)構(gòu)之一，它是將主纜一端穩(wěn)定在錨碇上，通過索鞍將主纜中的拉力通過錨碇傳入地基，同時依靠自身巨大的重力來平衡主纜的豎向拉力，通過錨碇底面與地基的摩擦嵌固力來平衡主纜的水平拉力[1]。懸索橋的錨碇一般采用大體積鋼筋混凝土澆筑而成，對懸索橋主纜的承載能力和變形起著重要作用，是懸索橋的重要錨固和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。錨碇混凝土一旦開裂，輕則影響構(gòu)件美觀，重則給鋼筋銹蝕留下隱患，對混凝土的耐久性產(chǎn)生較大影響，同時錨碇的結(jié)構(gòu)質(zhì)量直接影響大橋的穩(wěn)定體系，關(guān)系整個大橋的使用安全性能及壽命。因此懸索橋錨碇混凝土的質(zhì)量控制尤其重要[2]。

1 工程概況

納晴高速公路牂牁江特大橋為山區(qū)千米級懸索橋，項目區(qū)位于貴州省西部。該橋主橋為單跨鋼桁梁懸索橋，引橋為鋼-混組合梁，中心樁號為K107+072，橋跨布置為4 m（橋臺）+4×40 m（裝配式T梁）+1 080 m（鋼桁梁懸索橋）+（10×60 m）（鋼-混組合梁）+5 m（橋臺）全長1 849 m。主纜跨度布置為（265+1 080+435）m，該橋橋塔為門式塔，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主塔塔高一岸為248.1 m，另一岸高174.1 m，主纜采用高強度平行鍍鋅鋁合金鋼絲，主橋加勁梁采用桁高7.5 m的鋼桁梁，兩岸錨碇均為重力式錨碇，晴隆岸錨碇混凝土方量約11萬m3。牂牁江特大橋成橋效果圖見圖1。

2 混凝土開裂原因分析

混凝土開裂的原因有多種，如地基不穩(wěn)不均勻沉降造成的開裂;混凝土收縮或干縮后引起的開裂;混凝土配合比不當造成的開裂;混凝土水化熱內(nèi)外溫差過大造成溫度應(yīng)力梯度開裂?；炷恋哪踢^程是一個非常復雜的物理化學變化過程，該過程既有物理反應(yīng)變化，又有化學反應(yīng)變化。大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要也是最核心的原因是混凝土水化熱內(nèi)外溫差過大造成溫度應(yīng)力梯度的開裂?；炷猎谀痰倪^程中，水泥會發(fā)生物理化學變化產(chǎn)生水化熱，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，內(nèi)部溫度急劇升高，形成核心溫度應(yīng)力場，而混凝土的表面與空氣接觸，一般溫度相對較低，形成溫度應(yīng)力梯度，內(nèi)外約束不一造成拉應(yīng)力[3]?；炷笼g期隨時間的增長，其強度逐漸升高，彈性模量也在逐漸增高，而混凝土的徐變則減小，當混凝土的抗拉強度不足以抵抗溫度拉應(yīng)力時，應(yīng)力達到其抵抗臨界點時就會產(chǎn)生裂縫。該文針對混凝土水化熱內(nèi)外溫差過大造成溫度應(yīng)力梯度開裂，通過在大體積混凝土中預埋布設(shè)冷卻通水水管及大體積混凝土模塊化溫控系統(tǒng)進行研究。

3 溫控控制指標

通過控制大體積混凝土的入模溫度、混凝土內(nèi)部核心溫度、混凝土的里表溫度差、水溫升溫、混凝土表面溫度和環(huán)境溫度的溫差、混凝土的降溫速率等參數(shù)，使得大體積的混凝土水化熱內(nèi)外溫差控制在科學合理的范圍內(nèi)，進而保證大體積混凝土的澆筑及養(yǎng)護過程中不會出現(xiàn)裂縫問題。

（1）大體積混凝土的入模溫度。施工現(xiàn)場通過在混凝土拌合站的原材料采用降溫、混凝土運輸降溫、澆筑輸送管道降溫、澆筑結(jié)構(gòu)物鋼筋模板降溫等措施，保證混凝土的入模溫度控制在5 ℃≤T≤30 ℃。

（2）混凝土內(nèi)部核心溫度控制。通過在大體積混凝土內(nèi)部布設(shè)降溫水管以及智能模塊化溫控系統(tǒng)，自動調(diào)控管道水溫，通過水溫控制使得混凝土的核心溫度≤75 ℃。

（3）混凝土的里表溫度差控制在25 ℃以內(nèi)。在澆筑的過程中，通過水溫控制及保溫模板等措施，使得混凝土的溫度梯度控制在允許范圍內(nèi)，避免冷激造成開裂現(xiàn)象。

（4）水溫升溫控制在10 ℃。

（5）混凝土表面溫度和環(huán)境溫度的溫差控制在≤20 ℃。

（6）混凝土的降溫速率，控制在2 ℃/d以內(nèi)，避免拉應(yīng)力增長過過快，超過其抗拉強度允許范圍造成開裂。

4 溫控的流程

該橋主要的研究方向是通過在大體積混凝土中布設(shè)通水水管及動態(tài)、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的進行大體積混凝土模塊化的溫度控制研究。使得大體積錨碇混凝土的溫度控制在規(guī)范范圍內(nèi)，確保混凝土不開裂。工程現(xiàn)場對大體積混凝土溫度的控制過程是一個動態(tài)調(diào)整的過程，根據(jù)大體積混凝土核心溫度應(yīng)力傳感器的數(shù)據(jù)反饋，根據(jù)溫控控制指標參數(shù)，實時控制通向混凝土內(nèi)部的水溫，通過對水溫的動態(tài)調(diào)整，達到對大體積混凝土溫度的控制，進而滿足混凝土內(nèi)部核心溫度、混凝土的里表溫度差、水溫升溫、混凝土表面溫度和環(huán)境溫度的溫差、混凝土的降溫速率等參數(shù)要求。進行溫控的流程首先是進行混凝土配合比設(shè)計，其次是進行計算（預測）溫度技術(shù)指標，制定混凝土入模前溫度控制措施（含拌合站原材料、運輸過程、混凝土管道輸送等降溫措施），然后根據(jù)現(xiàn)場地形地貌實際情況進行澆筑方案確定（澆筑分層、分塊、溫控水管和溫度應(yīng)力傳感器布設(shè)及參數(shù)），最后是現(xiàn)場溫控系統(tǒng)布置及混凝土澆筑。整個過程是一個動態(tài)優(yōu)化調(diào)整過程。

5 混凝土水化熱控制

該橋大體積錨碇混凝土澆筑采用預埋冷卻水管進行混凝土內(nèi)部降溫，并根據(jù)在混凝土內(nèi)部埋設(shè)的溫度傳感器實時反饋混凝土內(nèi)部實際溫度，通過溫控系統(tǒng)進行溫度控制，確定拆模實際、養(yǎng)護時間等參數(shù)。錨碇混凝土設(shè)計參數(shù)，依據(jù)該項目設(shè)計資料，晴隆岸錨碇混凝土設(shè)計強度為C30。 膠凝材料總量（W）為352 kg，其中粉煤灰摻量為141 kg， P.O42.5級硅酸鹽水泥摻量為211 kg。粉煤灰摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)K1=141÷352=0.4，根據(jù)《大體積混凝土施工標準》（GB 50496—2018）規(guī)定K1取值為0.82。P.O42.5級硅酸鹽水泥水化熱Q0=4/（7/Q7?3/q3）=4/（7÷280?3÷250）=307.7 kJ/kg，規(guī)范規(guī)定P.O42.5級普通硅酸鹽水泥7天水化熱（Q7）≤284 kJ/kg，該項目選定280 kJ/kg，3天水化熱（Q3）不大于255 kJ/kg，該項目選定250 kJ/kg。膠凝材料（水泥、粉煤灰）水化熱總量Q=k·Q0=0.82×307.7=252.3 kJ/kg。混凝土絕熱溫升=T（t）=WQ/CP（1?e?mt）=352×252.3÷（0.97×2 410）×（1?2.718?0.87×10）=37.9 ℃（C混凝土比熱，取0.97;e為常數(shù)，取2.718;t為混凝土的齡期，取10天; m為系數(shù)取0.87）。

5.1 冷卻管布置

最大限度限制最高溫，混凝土在澆筑后，對降溫作用最大的是管冷措施，因此管冷措施應(yīng)充分考慮以降低最高溫;最大限度限制最大應(yīng)力，混凝土內(nèi)部應(yīng)力不僅與最高溫有關(guān)，與外部約束也存在直接關(guān)系，因此應(yīng)以應(yīng)力控制為基本準則，控制內(nèi)部溫度場的分布。冷卻水管管徑采用Φ45×2.5 mm。管冷布置參數(shù)：相鄰冷卻管在平面上，其中心間距控制在1.0 m以內(nèi);相鄰冷卻管高度方向上，相鄰兩冷卻管豎向中心間距控制在1.0 m以內(nèi);最底層冷管距混凝土底面控制在0.7 m，距混凝土頂面或分層面控制在0.7 m。 為達到充分降溫冷卻水管應(yīng)均勻分布在混凝土內(nèi)，上層冷卻水管與下層冷卻水管垂直呈井字形布置。

冷卻水管通水一般持續(xù)14天左右，采用通水方式對混凝土進行物理降溫，根據(jù)混凝土內(nèi)部埋設(shè)的溫度應(yīng)力傳感器的測溫反饋，使得大體積混凝土內(nèi)部最高溫度與施工現(xiàn)場3日內(nèi)日平均溫度溫差值在15 ℃以內(nèi)時，即可停止通水。冷卻水管停止通水同時混凝土養(yǎng)生完成后，利用空壓機空氣壓力將冷卻水管內(nèi)殘留的水通過風壓出冷卻水管以外。最后在冷卻水管內(nèi)采用循環(huán)灌漿方式壓注水泥漿液，保證冷卻水管內(nèi)漿液飽滿密實。

5.2 模塊化智能溫控系統(tǒng)

項目采用模塊化智能溫控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括三部分：溫控中央控制箱、混凝土及進出水口溫度采集及調(diào)溫系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)在線平臺。系統(tǒng)基本工作原理如圖2，系統(tǒng)現(xiàn)場布置如圖3。

實時監(jiān)測：設(shè)備為多模塊組合控制，多模塊通過無線傳輸實現(xiàn)溫控相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測和儲存。自動調(diào)節(jié)：控制系統(tǒng)根據(jù)其他模塊實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過計算分析后將自動調(diào)節(jié)冷熱水混水比例和水泵的開啟、關(guān)閉，以實現(xiàn)溫控設(shè)備的自動調(diào)節(jié)。獨立控制：模塊化溫控設(shè)備將根據(jù)各層混凝土實時溫度實現(xiàn)各層各塊的獨立控制。設(shè)備輕便：設(shè)備輕型化，便于現(xiàn)場布設(shè)和轉(zhuǎn)運，可根據(jù)實際情況更換各模塊。

（1）每套模塊化溫控系統(tǒng)可供應(yīng)混凝土同一區(qū)域1層冷卻管系統(tǒng);在進水口安裝冷熱水穩(wěn)壓裝置，為每一個回路提供恒壓恒溫供水系統(tǒng)。每個回路第一次供水溫度應(yīng)與環(huán)境溫度相似。

（2）通過大體積混凝土內(nèi)部溫度傳感器實時傳輸反饋混凝土內(nèi)部溫度，采用智能溫控系統(tǒng)進行智能調(diào)控進水流量及水溫調(diào)控，進水溫度與混凝土溫度差應(yīng)控制在15～25 ℃以內(nèi);出水溫度與進水溫度差3～6 ℃。即進水溫度始終保持低于混凝土內(nèi)部溫度15 ℃，根據(jù)設(shè)定溫度之差，冷卻管進水口溫度由混凝土內(nèi)部溫度變化自動調(diào)節(jié)（控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)）;由出水口溫度調(diào)節(jié)進水口溫度，溫差過大時適當增大流量，溫差過小時可減小進口流量。

（3）通過混凝土內(nèi)部溫度傳感器傳輸反饋混凝土內(nèi)部溫度，通過冷卻水管調(diào)節(jié)水溫保證混凝土降溫速率控制在2 ℃/d。

（4）混凝土溫度采集為15 min一次，根據(jù)混凝土溫度采集調(diào)節(jié)每層冷凝管進口水溫。

（5）當混凝土內(nèi)部溫度連續(xù)4 h下降大于1 ℃時，溫控設(shè)備自動開啟熱水泵，以提高熱水比例來減緩混凝土內(nèi)部溫度的下降速率。

5.3 溫控監(jiān)測數(shù)據(jù)成果分析

澆筑施工過程中監(jiān)測混凝土入模溫度與內(nèi)部溫度情況，并在澆筑混凝土達到終凝后打開循環(huán)水冷系統(tǒng)，納晴高速公路牂牁江特大橋晴隆岸錨碇混凝土入模溫度均控制在22～26 ℃之間，滿足《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》（GB/T 51028—2015）5.1.7條的規(guī)定混凝土入模溫度宜控制在5～30 ℃之間的要求?；炷辽郎厍捌?，其內(nèi)部核心溫度與混凝土表面溫差均控制在25 ℃以內(nèi)，在養(yǎng)護階段混凝土內(nèi)外部溫度降溫速率控制在2 ℃/d內(nèi)，降溫平順，未出現(xiàn)急劇降溫情況，現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫產(chǎn)生，在澆筑混凝土后的70 h左右，其溫度達到峰值。錨碇混凝土最高溫度為49.3～63.2 ℃，在可控范圍內(nèi)。

5.4 表環(huán)溫差監(jiān)測結(jié)果分析

錨碇在養(yǎng)護中均采用了外保內(nèi)降的控制方法，通過混凝土澆筑至養(yǎng)護期間各層測點表環(huán)溫差時程變化的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出：在混凝土養(yǎng)護階段采取在混凝土表面覆蓋溫水的方式進行保溫，混凝土溫度未出現(xiàn)劇烈變化，整體可控，現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫。

5.5 錨碇溫控結(jié)果分析

通過監(jiān)測錨碇混凝土各層溫度變化結(jié)果，可知平均入模溫度為24.7 ℃，滿足入模溫度5～30 ℃的控制要求;錨碇溫度最高值為64.4 ℃，滿足最高溫控制要求;混凝土里表溫差控制在溫度指標要求范圍內(nèi)，現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫產(chǎn)生;在降溫期，表環(huán)溫差逐漸降低至溫控要求范圍。

5.6 錨碇混凝土溫控總結(jié)

錨碇混凝土溫控入模溫度、最高溫度、里表溫差、表環(huán)溫差、各層混凝土溫度控制滿足控制要求。根據(jù)前期溫控計算，模塊化智能溫控系統(tǒng)滿足《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》（GB/T 51028—2015）的相關(guān)要求，混凝土降溫平穩(wěn)，無貫穿開裂等風險。

6 結(jié)語

納晴高速公路牂牁江特大橋晴隆岸錨碇大體積混凝土澆筑溫度控制，智能化技術(shù)為突破點，以現(xiàn)場反映問題為導向、質(zhì)量控制為目標、可視化數(shù)據(jù)終端的溫控系統(tǒng)。通過對大體積混凝土澆筑前的理論計算預測設(shè)計、科學的溫控系統(tǒng)及有效控制措施，執(zhí)行溫度控制計算（預測）、溫控監(jiān)測、驗證（調(diào)整）、計算（預測）的動態(tài)優(yōu)化過程，在錨碇混凝土的澆筑溫度控制中取得良好的效果。

參考文獻

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