沪苏湖铁路青浦特大桥大体积混凝土施工裂缝控制关键技术研究.pdf

广 西 城 镇 建 设 GUANGXI CHENGZHEN JIANSHE2023/7 总第 248 期丨大体积混凝土抗裂问题最早起源于20世纪早期的水工结构，因彼时混凝土质量较差、施工技术存在缺陷，很多当时建设的混凝土坝在后期出现严重的裂缝，引起了人们的重视。此后的几十年，人们通过不断研究和经验累积，确定大体积混凝土早期开裂的主因是表里温差在混凝土表面形成的较大拉应力和混凝土早期收缩产生的收缩应力超过混凝土的极限抗拉强度。在此基础上，人们研究并制定一系列比较有效的抗裂措施，但由于大体积混凝土抗裂是一个很复杂的问题，存在众多的影响因素，想要通过计算来精确模拟大体积混凝土结构早期的温度场、应力场比较困难，一般建设人员难以掌握，因而现代实际工程中大体积混凝土抗裂主要依靠相关工作人员经验。中国工程院院士朱伯芳是该研究领域的领军人物，他结合有限单元法编制了计算程序，实现大体积混凝土结构温度应力的数值仿真。进入21世纪后，随着科技的发展和计算机的普及，有限元仿真软件愈加成熟，模拟效果也越来越接近真实情况，实际工程复杂环境中的大体积混凝土早期精细化模拟仿真变成可能，在进行大体沪苏湖铁路青浦特大桥大体积混凝土施工裂缝控制关键技术研究文秦 鹏（中铁十四局第二工程局有限公司，昌九项目部工程部长，工程师）大体积混凝土裂缝控制关键技术YAN XUE 丨 研 学积混凝土的温度场及温度应力研究分析时使用有限元分析软件如ABAQUS、ANSYS、MIDAS fea等就十分方便，可以节约大量的计算时间，并可以根据仿真计算结果提出针对不同工程的温控防裂措施。同时，推动有限元技术的发展，使得混凝土裂纹扩展的描述更为直观和精确，为大体积混凝土开裂研究提供手段。随着我国桥梁工程建设规模的不断扩大，大体积混凝土抗裂的研究也延伸到桥梁大体积混凝土构件中，由于每个工程都具有其独特性，在研究过程中针对具体的材料、边界条件等参数需结合具体工程的实际条件进行选取。本项目基于上述较为成熟的方法和手段开展研究工作。一、工程概况沪苏湖铁路青浦特大桥跨太浦河（112+224+112）m 预应力混凝土连续梁拱组合桥，桥梁全宽14.20m，中支点处（拱脚处）局部加宽为17.10m。主梁为单箱双室变高度箱形结构，跨中截面梁高5.50m。中支点处梁高13m。主拱为钢管混凝土结构，计算跨度L=224m，设计矢高f=44.80m，矢跨比f/L=15，拱轴为二次抛物线。0#块混凝土强度等级为C55，拟采用的配合比见表1。表1 0#块C55混凝土配合比（单位：kg/m3）水泥粉煤灰细骨料粗骨料水减水剂水胶比4207468311141535.930.320#块总长25m，中部17m范围内宽度17.10m，两侧渐变为14.20m，总高13m，横隔板设3m高过人洞，详细结构尺寸如图1所示。（a）立面 （b）顶平面 （c）纵剖面 （d）水平剖面 （e）中心截面图1 0#块结构尺寸（单位：cm）广 西 城 镇 建 设 GUANGXI CHENGZHEN JIANSHE2023/7 总第 248 期丨二、0#块早期抗裂仿真分析（一）主要温控指标和拟采取的措施关于大体积混凝土结构施工过程中的控制指标，有相关规范做出了规定。（1）大体积混凝土施工标准（GB 504962018）第3.0.4条规定大体积混凝土里表温差不宜大于25。（2）铁路混凝土工程施工质量验收标准（TB 104242018）第6.4.4条规定凝土的入模温度不宜高于30。（3）铁路混凝土工程施工质量验收标准（TB 104242018）第6.4.8条规定混凝土内部最高温度不宜超过60，不应大于65。0#块一次性浇筑，并选择预埋冷却水管作为0#块主要的温控措施。（二）0#块早期抗裂仿真分析方法利用通用有限元程序ABAQUS及其子程序建立分析模型，通过对0#块原材料配比、结构尺寸、施工工艺、约束条件和服役环境的模拟并结合子程序定义混凝土生热和收缩，实现0#块在热场、流场、固体和大气环境的多因素影响下温度场、应力场和早期开裂可能性的模拟分析。图2为模拟过程，分为两步计算，首先基于三维8节点六面体热传导单元DC3D8建立0#块热交换模型，通过子程序HETVAL模拟混凝土水化热放热，计算0#块温度场，将模拟的温度场数值解与实测温度进行对比以确保模型的正确性；再将网格类型设为C3D8（ABAQUS中三维8节点六面体应力计算单元），利用混凝土性能试验测得的数据结合子程序USDFLD模拟混凝土抗拉强度和弹性模量的早期时变效应，通过子程序UEXPAN模拟混凝土早期膨胀收缩，在计算得出的温度场的基础上计算0#块应力场。图3为0#块水化热效应分析建模步骤和要点。图2 0#块水化热效应有限元仿真过程图3 0#块水化热效应分析建模步骤和要点YAN XUE 丨 研 学（三）仿真模型的建立与主要参数仿真方法模拟大体积混凝土0#块的早期温度场和应力场，研究不同因素对混凝土内部最高温度、混凝土最大里表温差和混凝土表面最大主拉应力的影响。首先，建立限元仿真模型，根据设计图纸，基于前述的分析软件和单元，建立0#块模型。再设置温度场仿真理论和主要参数，利用子程序HETVAL实现水泥水化热的模拟。本报告根据朱伯芳院士的研究成果选用了复合指数式来计算0#块早期水化热的生热。本模拟过程还需要设置环境温度和混凝土入模温度，环境温度取项目地点历史气温并通过ABAQUS的幅值功能进行模拟。其次，接着设置应力场仿真理论和主要参数，结合子程序UEXPAN模拟收缩应力，模拟过程为由水化程度计算模型湿度场，随后由湿度场参数计算混凝土湿度下降期的收缩应力，再加上湿度饱和期的收缩应力即得到混凝土总的收缩应力。对0#块应力场的模拟分析还需要确定混凝土抗拉强度和弹性模量。结合子程序USDFLD设置一组随分析步时间变化的场变量，在材料属性中加上该场变量，并设置每个场对应的属性数值，即可得到随时间变化的属性值，实现混凝土早期强度时变效应的模拟。最后，考虑边界条件，0#块浇筑后支架的作用，约束0#块底部竖向位移，并在混凝土表面模拟混凝土与环境之间的热交换。（四）无冷却水管时0#块早期抗裂仿真无冷却水管时0#块早期抗裂仿真仿真是建立温度场仿真以及应力场仿真。此步骤的目的主要是与预埋冷却水管时的温度场以及应力场形成对比。（1）基于上述介绍的仿真方法和基本参数模拟无冷却水管状态下0#块的温度场。（2）读取温度场仿真数据，修改模型后提交计算得到0#块早期应力场。（五）预埋冷却水管时0#块早期抗裂仿真1.计算方法模拟冷却水管的方法是将冷却水管视为混凝土内部的恒温源，并将冷却水管的效果换算为冷却水管表面的对流换热系数，计算模型采用的是Yang等提出的换算方法，该方法综合考虑了冷却水管材质、管径、管壁厚度和冷却水流速等多个因素的影响。00.20.81ln1258ppihrkru=+式（1）中，ir、0r分别是冷却水管的内径和外径；水管外径和内径的比值；u冷却水流速；pk冷却水管的导热系数，对于本报告选用的铸铁水管，导热系数pk=160kJ/mh；与冷却水管几何尺寸相关的调整系数，对于铸铁水管，见式（2）。=0.2909-0.2848 （2）根据工程中常用的冷却水流速，设置了流速为0.50m/s、1m/s、1.50m/s和2m/s四种计算模型，结合式（1）和式（2），可得冷却水管在不同流速下的换算对流换热系数，如表2所示。表2 不同流速冷却水管的对流换热系数流速（m/s）0.5011.502对流换热系数（kJ/m2/h/）667.25871.65984.371057.76（1）广 西 城 镇 建 设 GUANGXI CHENGZHEN JIANSHE2023/7 总第 248 期丨2.冷却水管布置方式和主要参数根据温度场仿真结果，可以发现0#块内部高温区域主要存在于横隔板和腹板，因此在两个区域分别布置冷却水管。根据既有仿真分析的结果和工程经验，选用DN32铸铁冷却水管，使用河面1m以下的河水，以1m/s流速持续通水10d。3.冷却水管时温度场仿真内置冷却水管后，建立0#块温度场，每两个小时进行检测，利用温度场变化确定0#块的里表温差最大值，选定确定该次实验仿真得到0#块里表最大温差全程不超过25，符合规范要求。4.冷却水管时应力场仿真建立温度场后，需要建立应力场，每两个小时进行检测，利用应力场变化确定0#块的应力最大值，0#块表面最大主拉应力主要分布在顶部中心和翼缘处，提取图4所示0#块桥面中心位置的最大主拉应力与混凝土抗拉强度发展曲线进行对比如图5所示。图4 应力提取位置 图5 主拉应力与抗拉强度对比根据图5可知0#块桥面中心位置的最大主拉应力全程小于混凝土抗拉强度，且具有一定的抗裂安全储备，可以判断0#块混凝土不会出现早期开裂现象。三、水化热温控措施（一）冷却水管选材及管线布置冷却水管可采用铸铁管，导热系数高、散热效率好，同样的通水时长可获得更好的冷却效果，并且强度高，经计算选择内径32mm的铸铁冷却水管。结合0#块的结构形式和理论分析成果，布置冷却水管，必要时增设架立钢筋辅助固定，防止冷却水管位移和变形。（二）通水要求混凝土浇筑前预埋冷却水管，确保冷却水管稳固可靠，并进行通水试验，冷却水流速为1m/s，施工过程中记录混凝土浇筑时间、混凝土入模温度、通水开始时间和通水结束时间等参数。冷却水管配备流量监测装置，实施监测通水流量并做好相关记录。每天测定两次冷却水管进出水口水温，根据0#块内部的温度反馈，必要时对通水流量进行实时调整，持续通水时长应大于14d。四、0#块水化热测试方案（一）测试的目的和内容为了更好地研究高速铁路大体积混凝土0#块水化放热规律和早期抗裂问题，进行0#块水化热试验，实测0#YAN XUE 丨 研 学块内部温度，并进行相关理论计算。（二）测试与采集设备（1）测试元件：拟采用基康热敏元件BGK3700与光纤光栅埋入式应变计BGK-FBG4200。采集设备采用基康自动化数据采集仪BGK-Micro-40。（2）直接采用振弦式埋入式应变计BGK4200/4200HP/4210/4210RCC。（三）温度传感器测点布置温度传感器的埋设位置考虑0#块内预埋冷却水管和预应力筋波纹管二者的位置。测点布置原则为：在避开预应力钢束与水管位置的前提下，满足监测需求，合计埋设16个传感器，测试16个点，其中温度传感器的编号由梁体由上到下依次编号，表面测点距离混凝土表面约5cm。（四）温度传感器安装及保护温度传感器安装位置应准确，固定在钢筋骨架上，必要时设置架立钢筋辅助安装。结合0#块所处的施工环境，将传感器引出线及其外接的数据采集仪器布置在0#块附近合适的位置，引出线集中布置，试验进行期间确保电力的持续供应。（五）测试方法温度传感器在0#块内埋设好并验收合格后，传感器编号与数据采集仪器接口对应，并能接收到信号，浇筑混凝土并进行入模温度的记录工作。混凝土开始浇筑即测试混凝土温度，每0.5h读数一次，根据实时的温度反馈确定停止测试的时间。（六）现场混凝土性能测试在0#块浇筑同时使用现场施工混凝土一次性制作混凝土同养试件，分别测试1d、3d、7d、14d和28d的0#块混凝土抗压强度和弹性模量。成型数量：150mm150mm150mm试件15个；150mm150mm300mm试件15个。（七）混凝土温度测试结果混凝土浇筑后，每0.5h对数据进行记录处理。整理数据后得出图6温度变化曲线，混凝土浇筑后温度先是增长，达到温度最高点后，温度逐渐降低。由表3可知，混凝土浇筑后，0#块温度最高值的时间出现在2022年7月9日12时，最高温度达到64.51，0#块温度最低值的时间出现在2022年7月7日1时，最低温度达到26.85，温度时段变幅为37.66，时段平均值为48.97。五、结语本工程通过对大体积混凝土的识别，从配合比设计、原材料控制、施工组织安排、冷却措施应用、温度监测手段及保温保湿等多项措施的联合应用，其他养护措施按规范执行，结构未出现贯穿性裂缝及表面裂缝，保证了结构质量，实现结构安全和正常使用功能，取得了良好的效果。图6 0#块温度变化曲线表3 0#块温度变化时段最大值最大值时间时段最小值最小值时间时段变幅时段平均值64.512022年7月9日12：0026.852022年7月7日1：0037.6648.97