公铁两用桥钢吊箱混凝土承台温控技术研究

2021-07-15李招明

黑龙江交通科技 2021年6期

李招明

(中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300300)

1 引言

随着我国桥梁施工技术的不断提高，很多跨江跨海的公铁两用桥纷纷兴建，大部分桥梁均采用在钢围堰内浇筑大体积混凝土承台进行施工。在浇筑承台时会产生大量的水化热，由于混凝土导热性差，承台内外表面温差过大，极易产生温度裂缝。这种裂缝会大幅降低公铁两用桥承台的刚度、强度和稳定性。

目前，国内外关于大体积混凝土温控研究持续不断。叶生春对极端气候下的承台做温控研究，表明合理的配合比及温控措施可有效防止温度裂缝的产生；张永健对不同水泥承台进行温控研究，显示低热水泥混凝土具有更好的温控效果；陶亚成通过优化原材料和温控措施，在保温保湿养护条件下，能有效减少裂缝。Yunus建立了有限差分热模型，能够较好的预测混凝土内部温度。

由上述研究可见，现阶段对于公铁两用桥钢吊箱混凝土承台温度控制技术缺乏研究。而本工程承台承担铁路公路双重荷载作用，因此对裂缝要求更为严格。以福建省平潭海峡公铁两用大桥为例，对钢吊箱混凝土承台温度控制技术进行研究。通过有限元研究钢吊箱混凝土承台温度场分布规律，提出适合钢吊箱承台温控方案，并根据现场监测验证温度控制的有效性。

2 工程概况

平潭海峡公铁两用大桥位于福建省平潭县境内，桥梁全长3 713 m。多跨简支梁桥施工采用钢吊箱混凝土承台，厚度5.0 m，平面结构如图1所示。由于承台浇筑方量过大，遂采用分层浇筑的方法，第一层高度为2.0 m，第二层为3.0 m，浇筑间隔时间为7 d，采用C25混凝土封底，厚度为2.0 m。

图1 承台平面图/mm

3 承台温度仿真分析

3.1 材料取值和环境条件

承台选用C50混凝土，混凝土的配合比如表1所示。桥址所在地平潭县属于亚热带海洋季风气候，全年冬短夏长。依据当地气象资料，仿真计算时浇筑温度取为21.0 ℃。

表1 C50混凝土材料用量 kg/m3

3.2 冷却水管布置

冷却水管采用Φ40×2.5 mm，承台第一浇筑层高2 m，布设2层水管，第二浇筑层高3 m，布设3层水管。冷却水管横向间距为80 cm，纵向间距为70 cm，冷却水管具体布置方式如图2所示。

图2 水管布置示意图

3.3 计算结果

(1)温度结果

根据结构对称性建立1/4模型，如图3所示。经计算，由图4可知承台第一层最高温度为60.7 ℃，承台第二层最高温度为65.8 ℃，温峰出现时间约为浇筑后第2 d，满足规范小于50 ℃的规定。

图3 有限元模型

图4 承台内部最高温度包络图

(2)应力计算结果

承台各浇筑层温度应力场分布如图5和图6所示。承台早期因内表温度出现差异，导致承台表面出现拉应力。3 d时温度达到峰值，7 d后随着温度的降低，内表温差的减小，拉应力逐渐由承台表面转移至内部，并趋于稳定状态。

图5 第一层混凝土应力场分布

图6 第二层混凝土应力云图

开裂风险点在于：

①浇筑第一层承台后期，受混凝土收缩和封底混凝土约束的影响导致内部拉应力较大；

②在浇筑承台第二层与塔座交接面处，因初期承台放热较快，内表温差较大导致表面拉应力较大；

③计算浇筑间隔期为7 d，应注意避免浇筑间隔期过长，引起基础约束过大。

4 承台温度场监测及分析

4.1 监测结果与模拟对比

根据有限元分析确定可知，承台第一层浇筑与封底混凝土交接面、第二层浇筑与塔座交接面处拉应力较大。因此，第一次浇筑选择测点为封底混凝土温度最低点，混凝土中心点；第二次浇筑选择测点为分层浇筑面温度最低点，表面温度最低点，混凝土中心点，测点温度时程曲线如图7所示。

图7 测点的温度时程曲线

4.2 数据分析

(1)最高温度

由图7可知，混凝土浇筑完成后的50 h，承台温度达到峰值。其中，在浇筑第一层混凝土时，绝热温升为38.2 ℃；在浇筑第二层混凝土时，绝热温升为39.5 ℃，均满足规范要求。表明本方案中所采用的混凝土配合比可有效控制大体积混凝土所产生的水化热；有限元得出承台内部最高温为65.8 ℃，两者结果相差不大，表明有限元模拟结果可用于预测施工的实际情况。

(2)降温速率和内表温差

通过图7(a)和(b)对比可知，由于两者浇筑厚度不同，第二层混凝土降温速率略快于第一层的降温速率。从内表温差来看，第一层混凝土在200 h时最大达到10.5 ℃，第二层混凝土在450 h时最大达到12.5 ℃，均满足规范要求。表明通过覆盖塑料薄膜并加盖复合土工布的保温措施可达到良好的温控效果。