空间异形刚构墩高强大体积混凝土温控关键技术研究

空间异形刚构墩高强大体积混凝土温控关键技术研究

林,峰

（中铁二十四局集团有限公司 上海 200000）

摘  要： 近年来，我国交通建设发展迅速，国家主要公路和铁路桥梁已形成了互补、多层次的公铁路网。大体积异型墩因其设计新颖美观成为桥梁设计的新宠。本文针对V构墩的结构形式及施工方法，综合运用室内试验、数值计算、现场实施进行综合研究，探索一种精准高效控制空间异形刚构墩温度应力，防止有害裂缝产生的施工技术。以指导相似类型高强大体积混凝土空间异形刚构墩施工。

关键词：V构墩  温控  大体积混凝土  冷却水管  有限元         

1 工程概况

空间异形刚构桥墩与传统桥墩相比有结构受力合理、桥墩外形美观等优点。然而大型桥梁异形墩厚度均在1m以上且混凝土设计强度较高，结构受力复杂。由于高强度大体积混凝土具有结构尺寸厚、温升快等特点，传统的施工方法已无法满足现场施工需要，更精准高效控制施工过程中的温度应力，防止有害裂缝产生的施工技术成为急切需求。

本文依托昆山312（涉铁）施工项目，上跨沪宁高铁主桥采用2×66m转体连续梁桥，该连续梁主墩采用空间异形V构墩,为单墩双肢结构，V构实心墩厚度3m,宽度12～19m，砼设计强度为C55，总量超过3500m³。该桥墩为高强度大体积混凝土结构，混凝土水化作用产生热量大，内部热量难以散发。有效降低墩身内部混凝土温度，精准控制混凝土内外温差，防止温度裂缝产生成为V墩施工一大难题。

图 1  V型墩效果图

2 研究思路

针对V型墩施工温度控制这一难题，将研究思路放在以下两个方面：

①高强度混凝土水泥用量大，和易性要求高，如何优化配合比，保证混凝土强度同时降低水化热？

②如何提高现有的高强度大体积混凝土内部温度监测准确性？

3 研究路线

针对以上两种研究思路综合运用室内试验、数值计算、现场实施开展了基于配合比优化、冷却水管布置形式优化及养护过程中内部温度监测准确性的研究：

①利用混凝土材料研究新成果，发现矿粉取代部分水泥后，水化总放热量减少的特性[1]，选用级配良好、优质的粗集料[2]对混凝土配合比进行优化，确保在不影响混凝土强度及耐久性的前提下有效减小混凝土的收缩并降低水泥水化热，实现对高强混凝土早期强度的提高。

②通过混凝土拌合用水掺冰降低混凝土入模温度，在混凝土内部布设冷却水管及温度传感器并通过外部循环水泵自动调节冷却水水流流速，降低混凝土内部水化热。同时外部采用棉被包裹养生，平衡混凝土内外温度。确保混凝土的施工质量满足设计图纸及规范[3-4]要求。

③利用Midas建立V型刚构墩的有限元模型，对混凝土温度场进行模拟分析，并根据分析结果指导V墩各部位单位体积混凝土的温升值。依照热传导原理，实现减少温度传感器数量和自动调控循环水管的水流速度的目标。

图 2  研究路线流程图

4 研究过程

4.1高强度混凝土配合比优化

外加剂和掺和料的选择根据混凝土性能要求和材料兼容性确定。本研究中混凝土设计性能目标主要是控制水化热、减少收缩、保证早龄期强度。外加剂选用减水剂，掺和料选用矿粉。

图 3  室内配合比试验及体外试验段现场实施图

通过多次调整试验室配合比，优化集料粒形、级配、砂率及外加剂掺量初步确定后场坍落度。通过同条件及标准养护试块确认了配比调整后的混凝土强度。以此初步确认试验室配合比，待试验室配合比确认后两次制作6m*8m*3m体外试验段。试验段内埋设冷却水管，浇筑后棉被包裹养生，模拟V墩实际施工工况。通过两次施工的试验段循环水温的测试及外观的观察发现，第二次浇筑的试验段水化热明显降低，芯部最高温度由最初的70℃降低至62℃；试验段早期温升时间大大延缓，且表面未见裂缝，外观质量大大改善。结合试验室多次配比试验及体外试验块的制作敲定最终施工配合比：水胶比定将水泥由P.Ⅱ52.5级调整为P.Ⅱ42.5级、水泥用量由442kg/m³调整为412kg/m³、不掺加粉煤灰。

图4 配合比调整前后混凝土强度发展曲线图

图5 配合比调整前后温度变化曲线图

4.2冷却水管布置

利用midas civil进行实体单元建模，采用6面体网格划分以保证求解精度，共19659个结点、166个单元，网格平均尺寸为0.5m。模型考虑承台混凝土影响，并考虑4种热交换边界，构件自由表面与环境的对流边界，混凝土浇筑过程中与钢模板的对流边界，混凝土养护过程中与厚竹胶板的对流边界，混凝土养护过程中与土工布的对流边界，建立如下有限元模型;

图6  V型刚构墩整体模型图

图7  V型刚构墩斜腿模型图

图8  V型刚构墩墩座模型图

参数选取根据预实验结果近似得到，本项目混凝土绝热温升为62℃，导温系数取1.018。根据《大体积混凝土施工标准》[4]及《大体积混凝土温度测控技术规范》[5]模拟计算后发现，如不采取合理的控制措施，大体积混凝土的温度裂缝将必然产生。最终敲定采用冷却水管进行内部降温方案，冷却水管安装以及参数设定参考已有大体积混凝土温度控制方案以及相关规范

[4-5]要求。施工前通过midas civil对埋设冷却水管的V型墩温度场进行计算,分析水管布置形式、管径、冷却水流量等因素对温度场的影响[6],敲定冷却水管布置方案。通过理论计算为现场冷却管布置及冷却水的设置提供理论支撑。

图9  墩座温度云图

图10  V型墩温度云图

由于V型刚构墩混凝土厚度为3m，且混凝土标号较高，水化放热量大，故冷却管布置方案采用双层布置。V型刚构墩墩座横向尺寸较大，每层冷却水管采用双冷却单元布置；斜腿部分由于是分两段浇筑，每浇筑段均布置两层冷却水管，每层冷却水管为一个冷却单元，采用蛇形布置，冷却管与混凝土厚度方向表面平行，冷却管距离混凝土边界最小距离为1m，间隔1m。冷却管安装应与钢筋施工同步进行，安装后对冷却管采用铁丝与相邻钢筋绑扎固定。

图11  V型墩墩座冷却管竖、横向布置尺寸示意图

图12  V型墩斜腿冷却管布置尺寸示意图

冷却管和钢筋施工完成后，在模板关闭前应提前对冷却管进行通水试压，检验管道及各处弯头是否连接牢固、密实，确保无渗水、管道受损等现象；待确认无误后方可合模浇筑V墩混凝土。

4.3混凝土温度监测

为精确掌握V型刚构墩不同深度温度场的变化规律，随时监测混凝土内部温度，需在混凝土芯部各个位置（含冷却水管冷却区域）布设温度传感器，并采用智能化多回路温度测试仪对浇筑及养生期间全过程跟踪和监测，将监测结果及时反馈，为及时采取温控对策提供正确依据。V型刚构墩的温度监测主要包括墩座及斜腿的表面温度监测、环境温度监测及混凝土芯部各部位温度监测。表面温度采用红外测温仪进行监测，内部温度采用预埋温度传感器进行监测，环境温度采用水银温度计进行量测。结合midas civil对温度云图的模拟及现场实际情况，确认混凝土内部建议温度测点布置方案：沿厚度方向布置3层测点，共设置45个测点。 

图13  V型墩温度测位竖、横向布置位置示意图

温度传感器需同钢筋施工同步进行，通过测量放样确定点位后利用铁丝或扎带将其固定在钢筋上。传感器安装固定后，应根据现场作业情况合理选择传感线路走向，伸出混凝土构件后尽量于1处或几处集中走向接入监测系统，外露传感线路应加强保护，防止施工物料损伤线路，影响监测数据采集。线路及系统完成后，提前进行测试检验设备允许是否正常，确认无误后方可浇筑混凝土。混凝土浇筑及振捣过程应尽量避开监测线路和冷却水管，防止对其造成损伤。

图14  V型墩温度监测现场实施图

    多回路温度测试仪测得的V型墩各测位的混凝土温度代表该冷却水管所需控制的混凝土温度，冷却水进水口上还设置有可调节水流速及流量的电动阀。通过midas civil对冷却水的流量及流速的理论计算结果，指导现场降温施工。同时通过现场混凝土温度智能监测设备及人工数据采集，与理论结果进行对比。通过数据纠正，自动调整电动阀以控制冷却水流速从而实现砼温控的智能化。

5 结论

通过对施工工装设备的研制、施工工艺的改进创新、试验研究、开发智能化监测系统等方式展开了对空间异形刚构墩高强大体积混凝土温控关键技术的研究，总结出了一些经验：

（1）通过对高强混凝土配比的多次调配及对比试验，得出适用于V型墩的C55混凝土最优配合比。
（2）结合midas  civil有限元探明适用于V型墩结构的冷却水管布置形式及温度监测系统。

（3）形成了具有V型刚构桥梁特色的高强度大体积混凝土浇筑智能温控技术体系，解决了现场技术难题，确保了施工安全质量，对类似工程的温控技术具有借鉴和指导意义。

参考文献

[1]张昺榴, 王军伟, 马保国,等. 矿粉、硅灰、增强剂和蒸汽温度对水泥砂浆水化热及体积稳定性的影响[J]. 武汉理工大学学报, 2015, 37(4):5.

[2]陈立兵, 郭军辉, 罗思桥,等. 某大桥大体积承台混凝土温控技术应用研究[J]. 粉煤灰综合利用, 2018(1):4.

[3]公路桥涵施工技术规范 JTG/ T 3650-2020[ S]. 北 京:人民交通出版社股份有限公司,2020.

[4]GB 50496-2018,大体积混凝土施工标准[S].

[5]GB/T 51028-2015,大体积混凝土温度测控技术规范[S].

[6]王新刚, 张伟, 樊士广,等. 基于MIDAS的大体积混凝土冷却水管布置方案研究[J]. 港工技术, 2010, 47(6):4.

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