李进洲,王远立
(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)
摘 要：沪通铁路沪通长江大桥为公铁两用桥,针对沪通长江大桥北岸正桥主墩承台平面尺寸大、混凝土数量多的工程特点,进行大体积混凝土温控方案设计,计算承台大体积混凝土的内部温度场及仿真应力场,并根据计算结果制定出控制有害温度裂缝的温控标准和相应的温控措施,提出“动态设计养护”法。施工实践表明,设计混凝土最优养护曲线,适时动态调整养护措施,可有效控制承台大体积混凝土裂缝。
关键词：沪通铁路；长江大桥；承台；大体积混凝土；裂缝控制；动态设计养护
沪通长江大桥全长11 076.262 m，大桥北岸为南通市，南岸为张家港，见图1。沪通长江大桥北岸引桥和北岸正桥(HTQ-1标段)工程范围为5.066 km，自南接南岸(HTQ-2标)主通航孔斜拉桥(均为沉井基础)，往北依次为跨横港沙浅水区21×112 m简支钢梁桥、跨天生港(140+336+140) m钢梁柔性拱专用航道桥、跨长江北大堤2×112 m简支钢梁桥，以及长江北大堤外侧北引桥[1-3]。
沪通长江大桥北岸正桥主要包括跨横港沙桥、跨天生港专用航道桥及跨北岸大堤桥。其中，跨横港沙21×112 m简支钢桁简支梁桥起止墩号为5号～26号墩，跨天生港专用航道桥起止墩号为2号～5号墩，跨北岸大堤桥起止墩号为0号～2号墩。沪通长江大桥北岸正桥承台主要参数见表1[1]。
图1 沪通长江大桥桥式概略图(单位：m)
沪通长江大桥北岸正桥3号、4号主墩承台为深水区深埋式承台，采用双壁钢套箱围堰方案施工(图2(a))。钢套箱内轮廓尺寸为55.0 m×25.0 m，外轮廓尺寸为58 m×28 m，壁体厚度1.5 m。钢套箱壁体浇筑围堰隔仓混凝土。封底混凝土厚度为5 m，封底方量约6 875 m3，一次封底到位。承台高度为6.5 m，混凝土分两层(3.0 m+3.5 m)浇筑，钢筋分两次绑扎。承台混凝土采用C45混凝土。
表1 沪通长江大桥北岸正桥承台参数
图2 沪通长江大桥北岸正桥承台布置示意(单位：cm)
承台墩号承台尺寸/m长宽高单个承台混凝土数量/m3承台混凝土强度等级浇筑方式0号墩36.019.24.53114.8C40一次浇筑1号墩38.221.15.04030.5C40分两层浇筑2、5号墩43.025.05.05383.2C45分两层浇筑3、4号墩55.025.06.58949.5C45分两层浇筑6、24号墩43.025.05.05384.5C40分两层浇筑7～23号墩38.221.15.04030.5C40分两层浇筑25号墩49.425.05.506806.0C40分两层浇筑
2号墩紧邻吹填沙滩，5号墩位于浅水中，采用钢板桩围堰施工承台。承台平面轮廓尺寸为43.0 m×25.0 m，承台高度为5 m，分两层(2.5 m+2.5 m)浇筑，采用C40混凝土(图2(b))。10～23号墩承台平面轮廓尺寸均为38.2 m×21.1 m，承台高度为5.0 m，分两层浇筑，每层高度2.5 m，采用C40混凝土。
根据设计文件和规范要求，沪通长江大桥北岸正桥主墩承台属大体积混凝土，其水化热量大，施工中应考虑相应的工艺技术措施，需对大体积混凝土温度进行监测，控制混凝土的内表温差在25 ℃以内，防止混凝土内表温差过大产生裂缝。
为防止构件产生裂缝缩短桥梁使用寿命，需对大体积混凝土结构进行合理的温控设计与控制，以保证混凝土使用寿命和运行安全。针对沪通长江大桥北岸正桥主墩承台平面尺寸大、混凝土数量多的工程特点，进行了大体积混凝土温控方案设计，计算了承台大体积混凝土的内部温度场及仿真应力场，并根据计算结果制定出控制有害温度裂缝的温控标准和相应的温控措施，提出了“动态设计养护”法。施工实践结果表明，设计混凝土最优养护曲线，适时动态调整养护措施，有效控制了承台大体积混凝土裂缝。
混凝土浇筑后的温度与水泥的水化热温升、混凝土浇筑温度和浇筑进度、外界气温、表面保护等多种因素有关。温度计算结果的准确性除了选择恰当的计算方法外，还有赖于与上述因素有关的基本条件和材质参数的正确选取[4-7]。本文温度计算中用到的水泥水化热，混凝土配合比、强度、弹性模量及气温参数均通过试验及相关规范资料选取。
(1)混凝土性能
①混凝土配合比
根据表1，沪通长江大桥北岸正桥主墩承台混凝土设计强度等级为C40和C45两种，其配合比见表2。
表2 承台混凝土配合比 kg/m3
强度等级水泥粉煤灰矿粉砂碎石水外加剂C40252977176410551574.2C452641017575410421604.4
②混凝土物理热学参数
按照《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》(JTS 202-1—2010)，有关承台混凝土物理热学参数汇总见表3。
表3 承台混凝土物理热学参数
强度等级弹性模量/MPa28d劈拉强度参考/MPa抗压强度/MPa水泥7d水化热/(J/g)热胀系数/℃导热系数/(kJ·(m·d·℃)-1)比热/(kJ·(kg·℃)-1)绝热温升/℃C40420003.955.7C45440004.259.53258.0×10-6261.61.044.847.0
注：混凝土绝热温升按水化热试验结果折算取值。
根据本工程施工试验室试验结果，不同龄期混凝土的弹性模量
(1)
混凝土不同龄期的绝热温升
(2)
式中，τ为龄期，d；θ为在龄期τ的绝热温升。
(2)温度初始条件与边界条件
在不同的日期浇筑混凝土时，应选取不同的气温和浇筑温度。沪通长江大桥桥址区东临黄海，地处长江河口段中纬度地带，属北亚热带湿润季风气候区，具有气候温和、雨水充沛、寒暑干湿变化显著、四季分明的气候特征。有关南通市2000～2014年统计气象数据见表4。
表4 南通市气象指标
月份/月123456平均温度/℃4.05.69.714.6519.923.7月份/月789101112平均温度/℃28.327.824.219.313.16.5
依据当地气象资料和原材料温度的经验数据，按照表2提供的基准混凝土配合比，根据《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》(JTS 202-1—2010，附录)对不同浇筑月份的混凝土出机口温度进行估算。考虑采取水泥进场温度控制、粗骨料遮阳、拌和水冷却等方式控制原材料温度：水泥温度控制低于60 ℃、粉煤灰温度控制低于35 ℃、拌和水温度控制低于10 ℃。出机口温度估算结果见表5。
从表5可以看出，在1月～8月及11月～12月施工，C40/C45混凝土出机口温度可以控制为12.0～27.5 ℃。
表5 不同月份出机口温度估算 ℃
月份平均气温水泥温度粉煤灰温度骨料温度拌和水温度预估C40/C45出机口温度1月4.0603541012.02月5.6603551013.03月9.7603591015.64月14.66035151018.85月19.96035171022.16月23.76035221024.67月28.3603526.51027.58月27.86035261027.211月4.0603541012.012月5.0603551015.0
参考其他工程经验[4-13]，按照混凝土搅拌车运输时间20～30 min、振捣时间1 min、日平均最高气温25～35 ℃，根据《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》(JTS 202-1—2010)对出机口温度进行计算(计算方法见附录A)。计算结果表明：高温季节施工工艺下，本工程混凝土运输及浇筑过程中的温升约2 ℃。则承台施工的5、6、7、8月份C40/C45混凝土预估浇筑温度为24.1、26.6、27.6、29.5 ℃。仿真计算时浇筑温度根据不同月份分别取值。
(1)计算方法
计算温度时，由于主墩承台的厚度与平面尺寸相比较小，可简化为一维问题计算，但考虑到封底混凝土(垫层混凝土)和下部结构的影响及应力计算的方便，仍采用三维有限元法计算，将温度场和应力场纳入一个统一的网格和程序计算[12]。
计算温度时，考虑了冷却水管的作用(承台每1 m混凝土沿厚度方向布置1层φ32 mm的冷却水管，冷却水管水平、竖直间距为1 m)，方法是沿水管取一系列垂直截面，在两截面间按平面温度场考虑冷却水与混凝土之间的热平衡，算出冷却水吸热的温度上升，得到下一单元的初始水温，再计算下一单元的混凝土温度和水温上升，如此重复计算即可得到每个时段的温度场。
计算应力时，考虑混凝土弹性模量随时间的变化；对时间分段取直，取每个时段中点的弹性模量值为该时段的弹性模量，分别计算出每个时段的应力增量后再迭加。第n个时段的应力
(3)
式中，Δσi为第i时段的应力增量。
混凝土具有徐变效应，会随时间而松弛，其徐变应力
(4)
式中，σ*为t时刻的徐变应力；Δσi为第i时段的弹性应力增量；Kp(t，τ)为松弛系数。
(2)计算工况
计算温度和应力时均考虑封底混凝土(垫层混凝土)及桩基约束的影响，计算时取基础弹性模量为3.0×104 MPa。
(3)计算承台温度时的边界条件
计算承台温度时，对应选取以下3种边界条件。
①在封底混凝土(垫层混凝土)底面，认为底面温度等于江水温度，采用第一类边界，即
(5)
式中，f(τ)为江水温度。
②承台顶面和斜面，采用第三类边界，即
(6)
式中，T为混凝土表面温度；Ta为气温；β为表面放热系数，取β=82.2 kJ/m2·h·℃。
③混凝土分层浇筑时，按照第四类边界处理，即
(7)
按照表1中统计的承台参数，分别对2号墩、3号墩、13号墩、16号墩和17号墩承台进行了温控计算，有关结果如下。
(1)温度计算特征值
承台内部最高温度包络图见图3。
图3 承台最高温度包络图(单位：℃)
温度计算特征值见表6。
表6 温度计算特征值 ℃
墩号2号墩3号墩13号墩16号墩和17号墩层次12121212特征项目最高温度最高平均温度最高温升上下层温差最大内外温差特征值49.042.433.7—23.1龄期/d3.32.03.3—3.3特征值50.245.835.918.523.9龄期/d3.02.43.0—2.8特征值50.946.633.8—21.7龄期/d3.22.43.2—3.2特征值53.348.835.220.224.3龄期/d3.02.23.0—2.9特征值62.155.036.3—23.2龄期/d2.22.02.2—2.2特征值65.758.737.122.124.2龄期/d2.52.22.5—2.5特征值64.757.436.3—23.6龄期/d2.22.02.2—2.2特征值69.163.037.922.824.7龄期/d2.52.22.5—2.5
注：2号墩为2014年11月至12月浇筑，浇筑温度按15 ℃计算；3号墩为2014年12月1日至12月31日浇筑，浇筑温度按10 ℃计算；13号墩为2015年5月初浇筑，浇筑温度按27 ℃计算；16号墩和17号墩为2015年7月到8月，浇筑温度按27 ℃计算。
(2)温度应力计算特征值
承台温度应力场计算结果见表7。
从图3和表6中可以看出混凝土内部温度较高，混凝土表面及侧面自然散热较慢，混凝土内部热量靠自然降温难以释放，混凝土内部热量释放主要依靠冷却水管作用，应优化中间部位水管布置、升温期间加强混凝土内部通冷却水，降温期控制降温速率，注意表面保温。
由表7可以看出，由于温度升高，混凝土早期各向变形均表现为膨胀变形，混凝土内部应力表现为压应力，表面应力表现为拉应力，承台早期(3 d)温度应力主要集中于上表面；而温度峰值过后，混凝土处于降温期时，混凝土开始收缩变形，混凝土拉应力逐渐传递到内部，此时混凝土内部应力表现为拉应力，表面应力表现为压应力，混凝土内部拉应力增大。由此可见混凝土若出现早期开裂，一般裂缝较浅；而后期开裂则很可能是深层裂缝，危害性很大。
图4 5号墩温控测点布置(单位：cm)
表7 承台温度应力场计算结果
墩号2号墩3号墩13号墩16号墩和17号墩温度应力场龄期3d7d28d半年第一层温度应力/MPa1.211.652.182.12第二层温度应力/MPa1.331.401.681.51同期劈拉强度试验值/MPa1.752.483.934.37最小安全系数1.321.51.812.06第一层温度应力/MPa1.221.452.351.86第二层温度应力/MPa1.351.061.101.0同期劈拉强度试验值/MPa1.882.684.214.57最小安全系数1.391.851.792.46第一层温度应力/MPa1.392.012.902.30第二层温度应力/MPa1.441.962.181.85同期劈拉强度试验值/MPa1.882.683.94.57最小安全系数1.311.331.451.99第一层温度应力/MPa1.451.762.732.22第二层温度应力/MPa1.471.801.851.63同期劈拉强度试验值/MPa1.882.684.214.57最小安全系数1.271.491.542.06
根据上面的计算结果，混凝土养护过程按照时间划分可分为温升期和降温期两个过程，升温期内部温升较快、应变增长也快，须及时覆盖保温；降温期虽然温度降低较慢，但是混凝土收缩效应凸现，混凝土收缩拉应变和降温拉应变叠加在一起是比较危险的，所以降温期必须依据温度应变数据，科学地动态调整养护措施。
现场养护监控的目标是：通过对温度场及应力场分布的实时监控，为混凝土科学养护提供量化依据，动态调整养护措施，以保证温度场和应力场分布近似于最优养护曲线，最终达到缩小甚至消除混凝土出现有害裂缝的目的。
一般情况下，需要按照气温、混凝土配合比、结构尺寸、约束情况等具体条件确定监控指标[3-12]。根据GB 50496规范要求和本工程的实际情况，对承台制定温控标准，见表8。
表8 承台温控标准
浇筑时间浇筑温度/℃内部温度/℃内表温差/℃冷却水进出水温差/℃平均降温速率/(℃/d)5月～6月≤27≤66≤25≤15≤2.07月～8月≤30≤70≤25≤15≤2.011月～12月≥5≤55≤25≤15≤2.0
根据前面有限元计算数据，分析结构的混凝土温度场和应力场分布规律，从而判断混凝土的主控截面和截面主应力方向，科学布置传感器的分布和安装方向，制定温度测点布置方案。
本文分别对0号台、3号墩、5～7号墩、10号墩和13号墩承台埋设了温控传感器，这里为了节省篇幅仅对5号墩的情况进行描述，其他墩布置均与5号墩类似。
5号墩承台混凝土第一次浇筑厚为2.5 m，布置3层温度测点，每层6个。根据承台结构的对称性和温度变化的一般规律，在承台中心线对称的1/4区域布设测点，距承台混凝土底面分别为0.5、1.2、2.0 m。测点布置见图4。
在养护期间，必须根据监测数据，科学地、动态地调整养护措施，以保证温度场和应力场分布近似于最优养护曲线，保证裂缝控制的顺利实施。当现场所测得的温控指标接近所设置的温度警戒值，并有继续超限的趋势时，及时调整养护措施。
(1)当内外温差过大时，应迅速将养护土工布覆盖好，调整保温层和覆盖层的厚度，以此来缩小混凝土内外温差(图5)。
图5 土工布覆盖
(2)当降温速率过大时，应及时检查混凝土表面是否有局部积水现象，表面保温层是否覆盖完全，是否存在混凝土表面发白等失水问题，一旦发现必须及时解决。
(3)当局部拉应力过大时，应结合内外温差、降温速率等控制指标综合考虑，找出成因，及时解决。若是环境气温下降造成局部拉应变过大，可考虑采取局部加热措施。
(4)混凝土浇筑至温峰前承台冷却水管必须通最大水流量，尽量削减混凝土温峰；温峰过后(以现场测温数据为准)通水量根据降温速率进行调整，防止降温过快引起的混凝土开裂。
图6 5号墩承台监测结果
监测数据显示，实时动态养护效果极佳(图6和图7，仅列5号墩的数据)，凿毛后经查看未发现可见裂缝。上表面采用蓄水养护、确保混凝土内表温差在25 ℃控制范围内，避免表面塑性开裂。
图7 5号墩承台浇筑、养护、监测
通过“动态设计养护”法，分别完成沪通长江大桥北岸正桥12个承台(0～3号墩、5～7号墩、10～13号墩和15号墩)，均达到了预期裂缝控制目标，混凝土拆模后均无明显裂缝，充分体现了该方法的有效性。“动态设计养护法”之所以能在沪通长江大桥上获得圆满成功，主要在于有符合现场实际的有限元计算分析，有行之有效的温控方案，有科学的动态养护调整，这3个方面落实得越好，该方法的效果越明显。
参考文献：
[1] 沪通长江大桥建设指挥部.沪通长江大桥指导性施工组织设计[Z].南通：沪通长江大桥建设指挥部，2014.
[2] 高宗余.沪通长江大桥主桥技术特点[J].桥梁建设，2014(2)：1-5.
[3] 李进洲，王远立.沪通长江大桥超长钻孔桩优质PHP泥浆施工技术研究[J].铁道标准设计，2015(10)：83-91.
[4] 魏尊祥，夏兴佳，李飞，等.桥梁承台大体积混凝土温度场监测与数值分析[J].公路交通科技，2014，31(4)：82-86.
[5] 苏骏，田乐松.大体积混凝土温控技术及热工计算[J].安徽理工大学学报:自然科学版，2010，30(2)：5-7.
[6] 刘伟.矮塔斜拉桥承台大体积混凝土水化热分析与裂缝预防[J].施工技术，2014(12):204-207.
[7] 张忠.核反应堆厂房基础整浇温度应力有限元分析及测试研究[D].天津：天津大学，2012.
[8] 庞健，柏兴伟.灌河大桥承台大体积混凝土温控措施及监测分析[J].公路交通科技:应用技术版，2014(12)：289-293.
[9] 高纪兵，何官健，雷江洪，等.苏通大桥大体积承台混凝土温控研究[J].施工技术，2005(1)：242-246.
[10]刘山洪，高丽，王一，等.大跨PC连续刚构桥大体积混凝土承台温控措施研究[J].重庆交通大学学报:自然科学版，2008(11)：888-891.
[11]孙小猛，徐登云.基于多目标优化的大体积混凝土承台冷却水管布置研究[J].铁道标准设计，2014(5)：74-77.
[12]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[D].北京：中国水利水电出版社，2012.
[13]张心斌，程大业，等.核电站大体积混凝土裂缝控制及施工技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)
Abstract： Shanghai-Nantong Yangtze River Bridge on Hu-Tong Railway is a combined highway and railway bridge. In the light of characteristics of massive concrete of main span pile cap of Hu-Tong Yangtze River Bridge, temperature control scheme for massive concrete is designed and internal temperature field and simulation stress field are calculated with finite element analysis. Based on calculation results, temperature control standards and measures for preventing harmful cracks are put forward. At the same time, the method of dynamic curing design is presented. Designing optimal concrete curing curve and timely adjusting maintenance measures are effective in controlling cracks of pile cap massive concrete.
Key words： Shanghai-Nantong Railway; Yangtze River Bridge; Pile cap; Massive concrete; Crack control; dynamic curing design
中图分类号：U445.55+9
文献标识码：A
DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.020
文章编号：1004-2954(2016)02-0093-06
作者简介：李进洲(1975—)，男，工程师，2013年毕业于中南大学土木工程学院，工学博士，E-mail：Li_jinzhou0910@126.com。
收稿日期：2015-07-05； 修回日期：2015-07-08
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