1、第29卷第3期2023 年 7 月Vol.29 No.3July 2023铁道运营技术Railway Operation Technology摘要:承台作为桥梁结构的最重要的承力构件,对桥梁结构的整体受力发挥着极其重要的作用。由于铁路桥梁跨度大、载荷重,桥梁承台的结构尺寸较大,随着结构物截面尺寸的增加和混凝土强度的提高,由水化热导致的混凝土温度裂缝问题愈发凸显。以新建南玉铁路百合郁江特大桥P4号主墩承台为研究对象,通过采用Midas FEA有限元仿真软件进行建模分析,提出了采用低水化热混凝土材料、多层浇筑、埋设冷却水管、加强温度监控和混凝土养护等措施,对承台大体积混凝土的水化热进行有效控制,避
2、免了温度裂缝的产生。关键词:大体积混凝土;水化热;裂缝中图分类号:U24文献标识码:A文章编号:1006-8686(2023)03-038-4何江伟百合郁江特大桥承台大体积混凝土温度裂缝研究(中国铁路南宁局集团有限公司工程质量安全监督站,工程师,广西南宁530029)10.13572/ki.tdyy.2023.03.011Abstract:Taking the P4 main pier of Baihe Yujiang Long Span Bridge of newly built Nanyu Railway as example,Midas FEA finite element simula
3、tion software was used for modeling analysis.The effective measures to control the heat of hydration of concrete are put forward,including the use of low heat of hydration concretematerials,multi-layer pouring,buried cooling water pipes,strengthening temperature monitoring and concrete maintenance,e
4、tc.,to avoid temperature cracks in the mass concrete Pile Caps.Key words:mass concrete;the hydration heat;cracksHE JiangweiResearch on temperature crack of mass concrete on the PileCaps of Baihe Yujiang Long Span Bridge(China Railway Nanning Bureau Group Co.,LTD Engineering quality and safety superv
5、ision department,Engineer,NanningGuangxi,530029,China)随着我国高铁建设的快速发展,具有中国特色工程技术的大跨度高铁桥梁跨越大江大河。南玉铁路百合郁江特大桥于线路DGK107+700处跨越广西横州市百合郁江。桥型设计为(36+40+64+330+64+40+36)m钢混结合梁斜拉桥,桥长612m,该桥是同期在建世界最大跨度的双线无砟轨道桥,是南玉铁路重难点工程。P4#主墩承台尺寸 30.6m23.2m6m,该尺寸符合大体积混凝土的标准,需要采用大体积混凝土施工工艺。根据使用环境、结构部位和施工工艺等要求,建造桥梁所采用的混凝土性能有所区别,随
6、着结构物载面尺寸和混凝土标号的增加,大体积混凝土水化热产生高温导致的有害裂缝问题日益突出。因此,需要进一步研究温度裂缝产生的机理和危害,采取有效措施控制温度应力,从而防止承台大体积混凝土温度裂缝的产生,才能保证上部桥梁结构的施工安全。1温度裂缝产生的原因混凝土在硬化过程中,水泥和水反应会产生大38量的水化热,对于大体积混凝土而言,混凝土体积越大,所用水泥放热量越大,浇筑时气温越高,原材料带入热量就越多,温度峰值就越高,其核心区的温度峰值可达6070以上。然而大体积混凝土由于自身导热性能差,芯部热量不易散发,而表面散热较快,导致混凝土内部产生较大的温度梯度差,从而产生较大的温度应力。当温度拉应力
7、大于混凝土极限抗拉强度时,就会产生裂缝,这也是大体积混凝土产生裂缝最主要的原因。因此控制温度裂缝关键在于控制温度应力,而控制应力的关键就在于如何控制混凝土水化热最高温升和内外温差。2温度裂缝的危害分析大体积混凝土内出现的温度裂缝按深度的不同,分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种。贯穿裂缝是由混凝土表面裂缝发展为深层裂缝,最终形成贯穿裂缝,它切断了结构的断面,可能破坏结构的整体性和稳定性,其危害性是较严重的。深层裂缝部分地切断了结构断面,也有一定危害性。表面裂缝一般危害性较小。裂缝造成的危害主要有以下几个方面。2.1承载力降低,安全性能下降混凝土结构最主要的性能是承受压力,而裂缝对于混凝土的承载
8、能力会有不同程度的削弱,安全性能下降。而且随着荷载的反复作用,造成裂缝深度和宽度不断发展,最后形成贯通裂缝,结构彻底丧失承载力,造成坍塌事故。2.2加速混凝土碳化,耐久性下降碳化后使混凝土的碱度降低,当碳化超过混凝土的保护层时,在水与空气存在的条件下,就会使混凝土失去对钢筋的保护作用,钢筋开始生锈。如果混凝土表面存在裂缝,则碳化深度直接从混凝土内部开始,加速了碳化速度,相当于减少了保护层厚度,造成钢筋过早锈蚀,导致裂缝进一步扩大,外部剥离脱落,缩短了结构的使用寿命。2.3冻融循环混凝土在保水情况下受冻,内部水体结冰后体积膨胀,导致混凝土内部产生裂缝,混凝土强度下降。而随着冻融结冰反复循环发生,
9、则裂缝病害持续发展,最初是表面混凝土剥落,钢筋外露锈蚀,混凝土劣化速度加快,最终造成整体结构破坏。3温度裂缝分析3.1P4号主墩承台概况P4#主墩基础采用202.8m灌注桩基础,承台设计为30.6m23.2m6m,混凝土总方量为4260m3。设计混凝土等级为C40(T1),基础部分在岸边,而另一部分则处于水中,承台结构布置见图1。图1P4号主墩承台布置图(单位:cm)3.2建模计算针对承台混凝土方量大,截面尺寸大的特点,首先利用Midas FEA有限元分析软件建立仿真模型对混凝土水化热温度场进行试算,根据试算结果确定施工方案。3.2.1温控标准根据 铁路混凝土施工验收标准(TB10424-20
10、18),养护期间混凝土芯部温度不宜超过60,最高不应大于65,混凝土芯部与表面温差,表面温度与环境温差不宜超过20,养护用水与混凝土表面温差不应大于15。3.2.2有限元计算因承台为对称布置,为方便计算和选取混凝土中心数据,选取承台的1/4部分进行建模,模型共计节点5230个、单元4680个,有限元计算模型见图2。承台拟采用采用分层浇筑(2.5m+3.5m)加埋设4层冷却水管方式进行降温处理和施工,层布距为从承台底部往上依次为 0.6m、1.8m、3.7m、4.9m高度,水平间距为1.5m,一层冷却水管布置2处进出水口,并配置一个总体控制水流速度系统。具体布置如图3所示,现采用有限元软件计算混
11、凝土水化热温度场。百合郁江特大桥承台大体积混凝土温度裂缝研究39第29卷第3期2023 年 7 月Vol.29 No.3July 2023铁道运营技术Railway Operation Technology图2有限元仿真模型图3冷却水管布置图将水化热主要计算参数输入模型,经计算可得P4#上部承台浇筑水化热温度场的最大温度分布云如图4所示,混凝土内外计算温差如图5所示。图4最高温度分布云图图5内外部温差根据计算结果可知,通过分层浇筑和埋设冷却水管后,混凝土内部最高温度为57.2,混凝土内外温差最大值为 16也符合要求,冷却降温效果明显。各项指标均满足要求,通过仿真计算分析采用该形式的冷却水管布置
12、形式可行。3.3施工方案制定与实施验证结合有限元仿真模型对承台水化热温度及温度应力的计算结果,根据大体积混凝土施工标准制定承台大体积混凝土专项施工方案,明确施工阶段的温控指标。3.3.1采用低热混凝土材料施工严格控制混凝土的入模温度,尽量选择在一天中温度最低的时候施工。在施工时入模温度不超过28。在混凝土浇筑前,对施工拌和用水和砂石料进行降温处理,这些对于降低入模温度十分重要。同时采用低水化热水泥,可以有效降低混凝土水化热。3.3.2埋设冷却水管冷却管采用导热性好,并具有一定强度的镀锌铁管,接头采用钢接头,拐角处采用弯头。按设计位置安装,接头处采用密封措施,可防止混凝土浇筑过程中漏浆堵管及通水
13、过程中漏水。安装完毕后,进行试通水,检查管路通水正常方进行下一道工序。3.3.3采用分层浇筑混凝土浇筑采用分层连续浇筑,可利用混凝土层面散热,同时便于振捣,泵送混凝土的最大摊铺厚度不宜大于60cm,严格控制分层厚度及前后两层浇筑距离。每一区内的工人应及时移动泵管,防止出现砼堆积。其它混凝土最大摊铺厚度不宜大于40cm。从承台短边开始,由两边向中间浇筑。并在前层混凝土初凝之前,将次层混凝土浇完毕,保证无层间冷缝发生。3.3.4埋设测温元件,加强温度监测按要求埋设温控监测元件(布置图见图6),通过测温元件检测混凝土表面温度、环境温度、冷却管出入水口温度并记录。浇筑完成后对混凝土芯部温度、表面温度、
14、环境温度每日10:00、14:00、18:00、24:00分别采集一次数据。测温期间发现混凝土内外部温差或最高温度超限时通过加大通水流速或降低入水温度起到降温作用。3.3.5做好保湿养护保湿养护是大体积混凝土施工的关键环节,通过对混凝土表面保湿,增加湿度,减少混凝土表面水分的蒸发。同时减少混凝土表面与外界进行热扩散,达到降低混凝土内外温差,减少40温度应力的目的。在实际施工中,混凝土浇筑完成后实行带模养护,在混凝土表面采用土工布覆盖蓄水养护,养护期限不少于14天。3.4实施效果通过实际温度监测,P4号主墩承台两层混凝土施工各项温度数据监测均正常,如图7所示,混凝土芯部最高温度为58.8,内外温差最大值16.7,监测数据表明混凝土最高温度、内外温差各项指标均满足规范要求。拆模后未发现混凝土表面出现有害的裂缝,同时对混凝土进行实体检测,混凝土强度也满足要求。图6测温元件布置图4结束语通过有限元分析建立仿真模型测算水化热温度,制定了大体积混凝土施工专项方案,在百合郁江特大桥P4号主墩承台大体积混凝土进行施工验证,按照方案要求埋设冷却水管,对混凝土芯部温度和内外温差进行监控。同时加强对混凝土表面进行保温养护,温度应力得到了有效控制。图7混凝土温度参数变化曲线图百合郁江特大桥承台大体积混凝土温度裂缝研究41