中山大桥承台大体积混凝土控裂技术研究.pdf

现 代 交 通 技 术2023 年中山大桥承台大体积混凝土控裂技术研究周 雨(广东华路交通科技有限公司,广州 510420)采用日期:2023 02 09第一作者:周雨(1986),男,硕士,工程师,主要从事公路桥梁施工技术的研究工作。摘 要:深中通道中山大桥所处环境复杂,施工材料运输困难,提高了承台大体积混凝土的施工难度,混凝土结构开裂风险极大。为解决海上大体积混凝土开裂问题,采用 MIDAS FEA 有限元软件对承台结构进行“水化 温度 湿度 约束”多场耦合机制和模型分析。以仿真计算结果为指导,结合海上施工特点,优化海工混凝土配合比,研发节水高效的温控冷却系统,以降低混凝土水化热并减少冷却水供应需求,同时配合精准防裂措施达到工程结构的理想目标。施工时的现场实测数据与仿真计算结果相近,拆模后未发现有害裂纹,控裂效果较好,可为类似工程提供参考。关键词:承台;有限元;大体积混凝土;裂纹中图分类号:U445.57 文献标识码:A 文章编号:1672 9889(2023)04 0068 06Research on the Crack Control Technology for Mass Concrete of Pile Caps of Zhongshan BridgeZHOU Yu(Guangdong Hualu Transportation Technology Co.,Ltd.,Guangzhou 510420,China)Abstract:The Zhongshan Bridge Section of Shenzhen-Zhongshan Link is located in a complex environment,making the trans-portation of construction materials difficult,increasing great difficulty in the construction of mass cap concrete,and making the risk of concrete structure cracking extremely high.To solve the cracking issue of mass concrete,the finite element soft-ware MIDAS FEA was used to conduct modeling analysis over the cap structure.Guided by the simulation results and com-bined with the characteristics of offshore construction,the mix proportion of marine concrete and the temperature control and cooling water systems were optimized to reduce the hydration heat and cooling water supply demands of concrete.Meanwhile,precision structure crack prevention measures were also adopted to achieve the engineering ideal goal.During construction,the field measured data were basically close to the simulation results,no harmful cracks were found after removing the forms,and the crack control effect was relatively good,which could provide a reference for similar projects.Key words:pile cap;finite element;mass concrete;crack1 工程概况深中通道地处珠江中游核心区域,位于虎门大桥与港珠澳大桥之间,连接深圳、中山、江门等市,全长约 24 km,由桥、岛、隧、水下互通组成1,其中中山大桥为主跨 580 m 的双塔双索面斜拉桥,主塔基础采用分离式承台+群桩基础,两个分离式承台通过主塔塔底连接系梁形成整体,主塔承台设计为带倒角的多边形,单个承台平面尺寸为 24 m24 m,高为 6.5 m。基础为 14 根直径 3.0 m 的钻孔桩,呈梅花状布置,封底厚度为 2.5 m。单个承台需C40 混凝土 3 380.0 m3,共需钢筋 313.9 t、封底混凝土 1 025 m3。为加强塔柱与基础间的抗船撞性能,将塔柱与基础连接形成整体基础。系梁为单箱单室断面,每11.2 m 增加一道隔墙,隔墙厚为 1 m,横梁中心设1.5 m 隔板。系梁跨中位置高 9.5 m,梁上下宽度均为 10 m,系梁与塔柱交接处梁高 13.5 m,梁上宽12.884 m、下宽 14 m,系梁顶板及腹板厚 1.2 m,底板厚 1.5 m。主塔基础布置示意如图 1 所示。第 20 卷 第 4 期2023 年 8 月现 代 交 通 技 术Modern Transportation Technology Vol.20 No.4Aug.2023第 4 期周 雨.中山大桥承台大体积混凝土控裂技术研究图 1 主塔基础布置示意(单位:cm)塔柱及系梁采用 C50 高性能海工混凝土,承台采用 C40 高性能海工混凝土,围堰封底采用 C25 水下混凝土,混凝土配合比如表 1 所示。施工前检测中心和施工单位均对混凝土各项性能指标进行试验检测,混凝土实测工作性能及力学性能指标如表 2 所示。混凝土物理热学参数根据混凝土配合比进行计算,线膨胀系数、泊松比根据规范经验取值,混凝土物理热学参数如表 3 所示。表 1 混凝土配合比(kg/m3)标号水泥粉煤灰矿粉砂碎石水减水剂阻锈剂C40193861507481 0321503 8617 16C50274681147421 0241554 5618 24表 2 混凝土实测工作性能及力学性能指标标号容重/(kgm-3)含气量/%坍落度/mm凝结时间/min抗压强度/MPa初凝终凝7 d28 dC402 3902 522058072042 750 2C502 4102 720073587546 956 7表 3 混凝土物理热学参数标号弹性模量/MPa比热/kJ/(kg)导热系数/kJ/(mh)最终绝热温升/抗拉强度系数线膨胀系数/(10-6/)泊松比C403 321040 989 0142 00 44100 17C503 521040 998 9349 00 44100 17 中山大桥主塔承台及系梁均为大体积混凝土,浇筑后混凝土内部将产生较高的水化热温升,形成不均匀非稳定温度场,产生不均匀的温度变形应力,易造成混凝土结构开裂2。为防止有害温度裂缝产生,需从混凝土配合比、施工工艺、温控技术等方面进行控制,确保混凝土不出现有害裂纹3 4。该桥承台和系梁的主要施工难点为:海上施工,施工材料运输困难,影响到温控所需的冷却水供应;风大、昼夜温差大等复杂海洋环境问题给混凝土保温和保湿工作带来困难;承台和系梁结构复杂,单次浇筑方量大,导致混凝土施工组织难度大;承台和系梁混凝土采用高等级混凝土,混凝土绝热温升速度快、温度高5 7;系梁为薄壁结构,散热面较大,易产生塑性开裂,且其受力情况复杂,薄弱部位易产生应力集中最终导致开裂。2 仿真计算分析2 1 有限元模型中山大桥承台分两次浇筑,第一次浇筑层厚为3 0 m,第二次浇筑层厚为 3 5 m。承台施工完成后,在两个独立承台之间设置单壁钢吊箱进行塔底连接系梁施工,系梁分两次浇筑,第一次浇筑5 0 m,系梁与塔柱之间设 0 8 1 0 m 的后浇段。根据结构对称性,取承台(含塔柱 2 m 预浇段)、系梁混凝土的 1/2 进行温度应力计算,计算模型如图 2 所示。图 2 计算模型承台施工采用双壁钢吊箱作为止水结构,吊箱内施工风速取 4 m/s,粗糙表面在空气中的放热系96现 代 交 通 技 术2023 年数=82 2 kJ/(m2h)。吊箱壁板兼作承台模板,钢板厚 8 mm。系梁及塔柱预浇段均采用钢模板,导热系数 =163 29 kJ/(m h);覆盖1 mm 厚防风防雨篷布,导热系数 =0 419 kJ/(mh)。承台底部为 2 5 m 厚的 C25 混凝土封层,第一层混凝土、第二层混凝土以及系梁之间考虑混凝土龄期差。大体积混凝土边界条件如表 4 所示。表 4 大体积混凝土边界条件构件模板材质浇筑间隔期浇筑温度/养护方法冷却水布设承台钢模承台层间 7 d,承台与系梁间 14 d28侧面带模并覆盖 1 mm 厚防风防雨篷布,上表面蓄水 15 cm水平管间距 100 cm,竖直管间距 75 cm系梁钢模系梁与承台间 14 d,系梁层间 7 d28侧面带模并覆盖 1 mm 厚防风防雨篷布,上表面覆塑料薄膜+土工布2 2 温度计算结果在相应工况条件下,承台及系梁大体积混凝土温度计算结果如表 5 所示,均符合温度控制标准。承台第一层混凝土内部温度峰值较理想,第二层混凝土内部温度峰值比第一层高出较多,主要是第二层浇筑厚度比第一层大,且与塔柱底部 2 m 预浇段一起施工,造成内部温度偏高,因此需加强第二层的冷却水通水管控。系梁因未设置冷却水管,内部温度峰值和内表温差均较高,需做好混凝土入模温度控制和养生保温措施。表 5 承台及系梁大体积混凝土温度计算结果浇筑层内部最高温度/最大内表温差/最大温峰出现时间/d允许内部最高温度/允许最大内表温差/承台第一层59 117 32 57525承台第二层64 522 42 57525系梁66 023 72 075252 3 应力计算结果混凝土特定龄期温度应力计算结果如表 6 所示,承台及系梁混凝土各龄期温度应力计算值均低于容许应力值,抗裂安全性符合规范要求。表 6 混凝土特定龄期温度应力计算结果(MPa)结构部位温度应力容许应力值3 d7 d28 d180 d3 d7 d28 d180 d承台第一层1 471 511 851 712 002 402 903 10承台第二层1 792 031 780 992 002 402 903 10系梁2 092 341 952 312 202 603 103 30 承台第一层 3 d、28 d 混凝土应力场分布如图 3 所示,承台第二层 3 d、28 d 混凝土应力场分布如图 4 所示。各浇筑层混凝土早期膨胀,前 3 d 应力发展较快,集中于构件表面,主要为内表温差引起的拉应力;后期混凝土结构收缩,应力由外部向内部发展,内外应力最终整体稳定。承台第一层28 d 混凝土应力场分布的上表面出现负应力,且系梁与承台接触外侧存在应力集中,表明下一层混凝土对上一层混凝土收缩存在约束作用,所以上下层混凝土施工时须严格控制龄期差。针对应力集中问题,接近应力极限位置应针对性采用防裂钢筋网、纤维混凝土等方式减少开裂风险。(a)3 d07第 4 期周 雨.中山大桥承台大体积混凝土控裂技术研究(b)28 d图 3 承台第一层 3 d、28 d 混凝土应力场分布(单位:N/mm2)(a)3 d(b)28 d图 4 承台第二层 3 d、28 d 混凝土应力场分布(单位:N/mm2)系梁 3 d 混凝土温度应力场分布如图 5 所示,系梁第一层早期于承台边缘部位产生应力集中,应力水平较高;系梁第二层早期应力集中于构件侧面及上表面,为内表温差引起的拉应力。根据计算结果,须加强系梁该部位的保温和保湿养护,以降低混凝土内表温差,防止此处混凝土约束应力累积导致结构开裂。(a)系梁第一层(b)系梁第二层图 5 系梁 3 d 混凝土温度应力场分布(单位:N/mm2)3 大体积混凝土施工控制措施根据仿真计算结果及海上施工特点,承台结构外部保温工作不易实施,外加海上风大、昼夜温度变化大,需要从降低混凝土自身水化热的角度解决核心温度过高产生的温度应力问题,同时解决海上难以供应大量冷却淡水的问题。3 1 大体积海工混凝土配合比通过市场调研,选取不同厂家水泥进行水化热试验,优选产生水化热最低的产品材料。并采用矿渣粉和粉煤灰双掺技术,最大限度使用矿渣粉和粉煤灰代替水泥,通过混凝土 56 d 配合比试验8,可在保证混凝土强度的情况下尽可能减少水泥使用。同时使用超缓凝型聚羧酸类高性能减水剂,以改善混凝土施工的和易性、强度和耐久性。此外,须加强原材料进场管理,确保材料的质量和温度满足要求,尤其须对粉料的活性指数加强检测。工程中应高温促进混凝土水化反应,严控混凝土入模温度。在最优成本情况下,通过遮阳、通风等措施降低骨料和粉料的温度,不得使用新出17现 代 交 通 技 术2023 年厂的水泥,水泥须充分放置冷却或采取措施使其温度60 再使用9。并采用加冷水、冰屑拌和等措施降低混凝土出机温度,同时对运输罐车采用篷布包裹等方式,将混凝土入模温度控制在28 以下。3 2 节水冷却系统因承台大体积混凝土前期释放热量较大,需要提供大量冷却淡水,但海上淡水供应困难,无法满足要求,本项目采用大型钢护筒现场构建高效冷却系统,即采用两个直径为 3 3 m 的钢护筒作为制造冷却系统的进水箱和出水箱,两个水箱之间通过水管连接。进水箱为冷却箱,可根据水温添加冰块制冷,高效冷却回流热水,减少海上冷却淡水的需求。水箱中增设自循环系统,使水箱的水温上下均匀一致,避免冷却水忽冷忽热。出水箱为储水箱,安装分水器且每个分水器具有独立水阀,可根据温控元件收集数据,控制每个阀门的出水速度和流量,冷却水罐和分水器如图 6 所示。图 6 冷却水罐和分水器优化中山大桥主塔承台冷却水管布设,冷却水进水口布设在混凝土核心温度最高区域,使冷却水优先冷却核心最高温度区域,每套水管设置一个进出水口,管长150 m。冷却水管选用导热良好的钢管,采用螺纹丝扣+焊接的连接方式,避免浇筑混凝土漏浆影响通水,冷却水管布设如图 7 所示。图 7 冷却水管布设循环冷却系统开始通水及升温期间要求水流量60 L/min,水流速0 6 m/s;冷却水与混凝土核心温度温差25,以防出现冷击情况,出水与进水温差10;降温期间通过调整出水速度控制降温速率2 0 /d;停水标准为混凝土降温速率2 0 /d、混凝土内部最高温度与表面温度之差15。3 3 应力集中位置精确防裂根据仿真验算结果,中山大桥承台第一层混凝土下表面和第二层上表面应力较大,须增加防裂钢筋网。系梁与承台间浇筑间隔期较长,在系梁和承台交界位置添加聚丙烯纤维,参考各类试验数据,掺加聚丙烯纤维的混凝土抗拉强度可提高约15%10 11。混凝土拌和站须配置聚丙烯计量掺加设备,确保聚丙烯掺加数量和均匀度满足要求。4 现场检测及结果分析根据承台对称性的特点,选取承台的 1/4 块布置温控测点,承台每个浇筑层布设 3 层监控点,中间部位布置监测点,靠近上下表面布置校核点,设置监控点与水管间距25 cm,温度信息采用智能设备自动收集和预警,钢围堰和大气的温度可同步测量、收集。承台第一层混凝土温度曲线如图 8 所示,承台第二层混凝土温度曲线如图 9 所示。图 8 承台第一层混凝土温度曲线图 9 承台第二层混凝土温度曲线27第 4 期周 雨.中山大桥承台大体积混凝土控裂技术研究承台第一层浇筑混凝土内部最高温度峰值为71 7,最大内外温差约为 24 2,每天温降约2 2,除每天温降值略超过要求,其他指标均满足要求。与仿真计算结果对比,现场内部最高温度高出计算结果较多,主要原因是海上施工时冷淡水供应较困难,导致冷却水管降温能力未充分发挥。考虑到第二层混凝土仿真计算中的内部温度更高,结合现场冷却系统的两个水箱特点,进行冷却系统改进,采用加冰块降水温的方式,改进后的冷却系统通冷指标满足要求。第二层混凝土现场实测内部核心温度峰值为 67 4,最大内外温差为 23 5,除 峰 值 后 的 一 天 内 温 度 降 速 为3 1 /d,其他温度降速均保持在 2 /d 以内,满足大体积混凝土指标要求,整体冷却效果比第一层好,该冷却系统可在后续海上大体积混凝土结构中大面积使用。5 结语以深中通道中山大桥主塔承台和系梁为研究对象,根据大体积混凝土温度控制标准,通过有限元软件进行温度和应力模拟分析。并以计算结果为指导,结合海上施工特点,优化海工混凝土配合比,从源头控制大体积混凝土水化热,研究节水高效冷却系统,解决海上淡水供应困难的问题。对复杂系梁和承台交界处存在应力集中的位置,精准使用聚丙烯纤维混凝土加强处理,提升其抗裂性能。施工期间现场实测冷却系统充分使用后混凝土内部最高温度为 67 4,与仿真模型计算结果接近。混凝土内外温差及每天温度降速均满足规范要求,现场只在承台上表面发现个别浅层小裂纹,未发现有害裂缝,控裂效果较好。参考文献 1 宋神友,陈伟乐,金文良,等.深中通道工程关键技术及挑战 J.隧 道 建 设(中 英 文),2020,40(1):143 152.2 刘建伟,卢致强,付波,等.地铁超深基坑水下混凝土封底施工技术J.城市轨道交通研究,2017,20(11):83 89.3 杨海鹏,潘军.港珠澳大桥混凝土连续梁施工期裂缝控制技术J.桥梁建设,2017,47(2):106 111.4 杨慧,刘军来.某斜拉桥承台大体积混凝土水化热温度场研究与关键施工技术应用J.公路工程,2018,43(5):152 156.5 剑峰,张万.特大方量异形结构大体积混凝土冷却水管布置与参数研究 J.世界桥梁,2017,45(5):71 75.6 贺云,贺金龙,余棚,等.索塔承台大体积混凝土温度控制研究J.铁道科学与工程学报,2020,17(2):372 378.7 倪剑峰,耿大新,吴晓明,等.超大体积承台混凝土裂缝综合控制技术研究J.现代交通技术,2006,3(3):32 35,38.8 徐文,张士山,李军堂.超高索塔结构混凝土裂缝控制关键技术研究J.混凝土与水泥制品,2019(7):84 87.9 鲁正刚,王修信.考虑水管冷却的大体积混凝土承台温度控制研究J.铁道科学与工程学报,2015,12(5):1172 1178.10 占玉林,段增强,张强,等.承台大体积混凝土水化热及温度控制措施研究J.世界桥梁,2018,46(3):45 49.11 张士山,徐文,闫志刚,等.超高索塔结构抗裂混凝土性能研究J.新型建筑材料,2019,46(10):146 151.(责任编辑 董雅芸)37