后河大桥主墩承台混凝土施工温度监控及防裂研究

程斌

【摘要】本文以丹江口习家店镇后河大桥主墩承台大体积混凝土温度监测和裂缝控制为研究内容，系统开展了承台大体积混凝土温度控制研究。通过浇筑混凝土材料的选择，冷却循环水管的设置，控温保温养护措施的实施，对整个施工过程实时监控，实现了大体积混凝土施工的有效控制。承台混凝土浇筑完成后，未出现裂缝，达到了预期的监控目的。

【关键词】大体积混凝土；温度；监控

1工程概况

丹江口后河大桥主桥上部构造为（67+120+67）m三跨预应力混凝土连续刚构，箱梁断面采用单箱单室，根部梁高7.lm，跨中粱高2.7m，项板厚28cm，底板厚从跨中至根部由32cm变化为70cm，腹板从跨中至根部分三段采用45cm、60cm、70cm三种厚度，箱梁高度和底板厚度按2次抛物线变化。主墩墩身采用双肢等截面实心薄壁墩，墩身横桥向最长处6.5m，顺桥向壁厚1.5m。主墩承台长12.40m，宽12.20m，高4.0m，属大体积混凝土。基础采用桩径2.Om的钻孔灌注桩，每墩共9根桩。

2大体积混凝土施工温度产生裂缝的原因

引起大体积混凝土结构开裂的因素十分复杂，探究温度应力产生的根本原因，主要有以下四个方面：

（1）水泥水化热的影响。水泥在水化的过程中要释放出大量的热量，并通过边界把部分热量向四周传递（散热）。硬化初期，水泥水化速度快，发热量大于散热量，使混凝土升温；硬化后期，水泥水化速度减慢，当发热量小于散热量时，混凝土温度开始下降。但在浇筑初期，混凝土的弹性模量较低，徐变较大，因此对温变引起的变形约束不大，相应的温度应力也比较小；随着龄期的增长，混凝土弹性模量迅速增长，徐变减小，对降温收缩变形的约束也越来越强，并产生温度应力（拉应力），当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便容易出现温度裂缝。

（2）外界气温变化的影响。混凝土内部温度是水化热的绝热温升、浇筑温度和结构的散热温度等各种温度的叠加，因此在施工阶段受外界气温的影响主要体现在两方面：

1、外界气温越高，混凝土的浇筑温度也越高，相应最高温升值也越高；

2、外界气温下降，又增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，形成“冷击”。内外温差越大，温度应力也越大。

（3）混凝土收缩变形的影响。混凝土的收缩变形主要有浇筑初期（终凝前）的凝缩变形、硬化混凝土的干燥收缩变形、自生收缩变形、温度下降引起的冷缩变形以及碳化引起的碳化收缩变形等五种。混凝土的收缩变形越大，收缩变形的分布越不均匀，产生的应力也越大。

（4）约束条件的影响。混凝土结构在变形变化中，必然受到一定的约束，阻碍其自由变形。这种约束分外约束和内约束（自约束）。外约束指结构的边界条件，如基础或其他外界因素对结构变形的约束；内约束指结构内部非均匀的温度及收缩分布，各质点变形不均匀而产生的相互约束。外约束分自由体、全约束（刚性约束）和弹性约束三种。混凝土的收缩变形因受到约束而产生拉应力，当拉应力超过其相应龄期的抗拉强度时，便引起开裂。

3承台混凝土配合比

后河大桥承台的混凝土设计强度等级为C30，混凝土配合比见表3.1。

4 承台冷却水管布置

承台的冷却水管采用φ40mm导热性能良好的钢管，在高方向上布置在高度方向上布置四层冷却水管，每层冷却水管又分为4个独立的循环管路。承台冷却水管的布置形式见下图。

主墩承台冷却水管布置图

5温度场及应力场的仿真分析

温控计算采用有限元桥梁专用程序Midas/Civil的水化热计算模块进行，该程序用于温控计算的有以下主要特点：

（1）该程序可以对施工期大体积混凝土的温度场及应力场进行仿真模拟分析；

（2）能够考虑混凝土入模温度、水泥绝热温升、混凝土的强度和弹模增长曲线、混凝土自身的收缩徐变、混凝土导热系数、混凝土放热系数、冷却水等参數，以及地基固定温度、环境温度等施工环境条件。

6温度监测方法

对大体积混凝土进行温度场仿真模拟计算，是从理论上掌握大体积混凝土内部温度发展变化情况和温度应力的发展变化情况，实际施工中将会存在一定的差异，主要原因是计算模型中所取用的相关参数与大体积混凝土实际施工状态不可能完全一致，这就需要对施工过程进行监测，并将监测结果随时与理论计算及其结果进行比较、分析，及时调整参数取值、修正计算模型并采取相应的温控措施，只有这样才能保证计算、分析结果的准确性及可靠性，并依据计算、分析结果完善温控措施，确保温度应力不超过混凝土的抗拉强度，避免出现温度裂缝。

温度监测主要内容包括：

（1）施工体系测量

施工体系测量涉及三个方面的主要内容：混凝土体系、环境体系及施工工艺相关内容。

混凝土体系主要包括：配合比试验、绝热温升试验、弹性模量试验、抗压强度和劈裂强度试验等；环境体系主要包括：当地年气温、日气温、寒潮及风速等的变化规律分析，地基基础的稳定温度调查和分析、基础约束情况调查分析等；施工工艺的主体内容包括：实际施工中的总体施工方案、管冷方案、保温方案及混凝土浇筑方案等。

（2）混凝土温度场测量

对本项目的承台温度测点的布置形式初步拟定如下图所示。其中，顶层温度测点布置混凝土表面以下在5cm处；底面温度测点布置在混凝土底面以上5cm处。最终实施的测点布置形式根据分块分缝设置、冷却水管的实际布置形式和温度场计算结果作适当调整。

主墩承台温度测点布置图（单位：cm）

（3）环境体系温度测量

环境体系温度测量包括大气温度、冷却水温度。

大气温度测量包括承台顶面、侧面和底面表面处的温度。选取代表性的冷却水管，在水管进水口、出水口及直线段中部安装温度传感器，测量冷却水的温度。

环境体系温度测量与大体积混凝土温度测量同步进行。

7 防裂措施

（1）控制浇筑温度。控制浇筑温度可以降低混凝土的总温升，减少结构的内外温差。在使用前用冷水冲洗集料，但每m3混凝上中石子与砂所占重量最大，最有效的办法是降低石子与砂的温度，尽量降低混凝土入模温度。

（2）通水冷却。设置冷却管通冷却水，能直接达到降低水化热温度的效果。但冷却水与混凝土的温差不宜过大。采用内散外蓄综合养护措施，降低大体积混凝土的温升值。

（3）承台表面局部范围内水化热应力较大，可以在承台表层布防裂钢筋网，可以提高混凝土的抗拉强度。

（4）保温保湿措施。承台混凝土浇注完成后必须对承台采取保温保湿措施，可在混凝土表面设置土工布进行保温，确保混凝土表面与大气温差不大于20℃及保证混凝土表面温度不能骤降5℃。

参考文献：

[1]陈辉，韩芳垣.大体积混凝土温度裂缝的成因分析及控制措施[J].混凝土，2006.196（2）：74～75

[2]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）

[3]《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）

[4]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）

[5]《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GBJ 1596-2005）

[6]《混凝土质量控制标准》（GB50164-92）

[7]《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）