首座跨海高鐵斜拉橋承臺溫控設計研究

許平華，李星新，陽逸鳴，袁 里

(1. 中鐵十一局集團有限公司，武漢 430000；2. 湖南城市學院土木工程學院，湖南 益陽 413000；3. 湖南未來橋科技有限公司，長沙 410000)

溫控不當會導致大體積混凝土開裂.美國混凝土學會(ACI)規定[1]：任何就地澆筑的大體積混凝土，其尺寸之大，必須要求采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂.引起橋梁大體積混凝土開裂的主要影響因素有[2-5]：外界氣溫變化(影響表面溫度)、水泥水化熱(影響內部溫度)、約束條件(影響內部伸縮)以及混凝土收縮變形(影響裂縫開展).有學者對陸地江河環境下的橋梁大體積混凝土溫控進行了系列研究[6-8].與內河大橋不同，跨海大橋承臺溫控設計需考慮波浪荷載作用、海上施工環境、結構防腐要求等，尤其是高鐵斜拉橋荷載重，承臺設計尺寸大、混凝土強度高，故需對混凝土配合比和水化熱降溫措施等進行專門設計，以控制承臺溫度裂縫的產生.本文以首座跨海高鐵斜拉橋承臺溫控設計為實例，對高鹽濕熱海洋環境下的大體積混凝土溫控進行設計研究與實踐探索.

1 項目概況及配合比設計

1.1 項目概況

湄洲灣跨海大橋(見圖1)是國內第1 座跨海高鐵斜拉橋，全長約14 km，水域長度約10 km，位于福建省泉州市泉港區與莆田市城廂區之間.跨越主航道的主橋為雙塔三跨矮塔斜拉橋，跨徑為96 m+180 m+96 m.

圖1 湄洲灣跨海大橋

湄洲灣跨海大橋承臺數量共計340 個.其中95#～332#墩承臺位于湄洲灣淺灘區，其余承臺位于陸上.斜拉橋主墩(310#墩和311#墩)混凝土設計強度為C50，設計方量2 474.28 m3，斜拉橋主墩承臺具體參數見表1.

表1 主墩承臺參數

本項目大體積混凝土承臺的特點為：尺寸及設計方量大、需考慮波浪荷載作用，且海上施工環境防腐要求高.

1.2 配合比設計

混凝土配合比初始方案設計見表2.基于初始方案進行試驗測試，獲得的試驗結果見表3.由表2 和表3 可知，混凝土在強度上基本滿足要求，但溫升超過允許溫控范圍.對于海洋環境下的大體積混凝土，水泥用量過大是導致水化熱溫升較高的重要因素，因此在優化方案中應減少水泥用量，并增加粉煤灰用量及對其他材料用量進行適當微調，且選用級配好與粒形好的砂石集料，以獲取最小空隙率和最大堆積密度，以降低混凝土收縮變形.調整后配合比材料用量見表2.從表3 中性能測試結果可知：當P.O42.5 水泥含量由310 kg 降至280 kg 及粉煤灰由125 kg 增至142 kg 后，混凝土抗壓強度略有降低但在設計強度允許范圍內；水化熱絕熱溫升下降了約5 ℃，可較好地滿足溫控抗裂要求.由此可知，水泥含量下降及粉煤灰含量增加為影響水化熱溫升的主要原因；優化調整后的混凝土配合比設計可更好地滿足本承臺溫控要求.

表2 初始方案及調整后配合比 kg

表3 配合比調整前后混凝土性能試驗結果

2 溫度控制設計

2.1 仿真計算與分析

根據大橋主墩承臺結構設計、海洋氣象環境、基礎地質條件、混凝土相關熱學指標及物理力學等資料，利用大體積溫控計算程序進行施工各階段溫度場分析，依據計算結果擬定溫度控制指標值，可提前設計合理的溫控措施.

1)混凝土配合比.計算時，混凝土彈性模量及強度隨時間的發展而變化，混凝土的絕熱溫升以及水泥水化熱等參數通過試驗確定.本項目混凝土的配合比見表2(優化調整后).

2)混凝土的絕熱溫升.根據《大體積混凝土溫度應力與溫度控制》中絕熱溫升的經驗公式[5]

可求出水泥水化熱絕熱溫升Qt=38.4 ℃.其中，Q為水泥最終水化熱量(kJ/kg)，42.5 級普通硅酸鹽水泥水化熱按經驗取值為330 kJ/kg；W為混凝土中水泥的用量(kg/m3)；k為折減系數，對于粉煤灰可取k=0.25；F為混合材用量(kg/m3)；c為混凝土的比熱，一般取0.96 kJ/(kg·℃)；ρ為混凝土質量密度，取2 437.4 kg/m3.

根據《大體積混凝土施工規范》[9](GB 50496-2009)，熱源函數按計算.其中，T(t)為混凝土齡期為t時的絕熱溫升；m為與水泥品種、澆筑溫度等有關的系數，它反映了混凝土的發熱速率.根據工程經驗，在入模溫度分別取15、20、25 和28 ℃時，m的取值分別為0.8、1.1、1.3 和1.4.

3)混凝土熱力學性能參數.混凝土物理、熱學性能參數選取見表4.

表4 混凝土物理、熱學性能參數

4)混凝土的彈性模量、強度及收縮徐變.混凝土強度及彈性模量隨時間的變化規律均按CEB-FIP 規范[10]取用.

5)邊界條件承臺四周除頂面與外界環境間為熱對流邊界條件外，其余表面與模板皆為約束邊界條件.承臺具體的表面放熱系數還應根據溫度實測結果進行修正.因承臺為分層澆筑，計算時取對溫控相對不利的第1 層建模分析，見圖2 和圖3.

圖2 承臺有限元計算模型

圖3 第1 次澆筑(2.0 m)最高溫度場分布云圖(20 ℃)

基于初始計算參數，通過有限元計算獲得承臺溫度及應力計算結果，見表5(計算工況為初始參數). 根據計算預測及部分溫控實測數據，最高溫度 ＞65 ℃，最大內表溫差均超出允許值25 ℃，故需采取優化配合比和調整水管布設等措施.經過參數調整，計算得到了后續階段應力及溫度場變化趨勢預測結果，見表5. 從表5 可以看出，在第3 d 時出現溫峰及最大內表溫差，這與混凝土在水化熱反應72 h 時其放熱量達到高峰有關.

表5 承臺溫度及應力計算結果

從表5 中計算結果還可以看出，澆筑后溫度和溫差逐漸上升至第3 d 時出現最大內表溫差值24.3 ℃及溫峰值64.8 ℃(見表3 參數調整后計算工況).內表溫差計算值和內部最高溫度測試值分別滿足＜25 ℃和＜65 ℃的規定(見表6).承臺各層的最小抗裂安全系數為1.75(安全系數等于劈裂抗拉強度試驗值除以對應齡期溫度應力計算最大值[11]). 該安全系數有一定的安全余量，滿足抗裂安全系數N1.4 的評價標準.因此，從控制溫度和抗裂保證率2 個方面對混凝土抗裂安全性進行評估，溫控各參數指標均滿足要求.

2.2 溫控參考設計標準

通過溫控方案設計，可控制大體積混凝土內部溫度場的變化發展趨勢按照預定方向變化，并保證混凝土溫度拉應力低于混凝土抗拉強度(對應齡期).根據大體積混凝土溫度控制的主要技術標準和規范，如《大體積混凝土施工規范》[9](GB 50496-2009)、《混凝土質量控制標準》[12](GB 50164-92)以及《混凝土結構工程施工及驗收規范》[13](GB 50204-92)，結合本工程實際情況并根據仿真計算結果，通過2.1 節對本跨海高鐵斜拉橋承臺溫控的預演推算，擬定的湄洲灣跨海大橋大體積混凝土溫控參考標準見表6 和表7.

表6 承臺溫控設計參考指標1

表7 承臺溫控設計參考指標2 ℃

2.3 入模溫度控制

在配合比及邊界條件一定的情況下，需對混凝土入模溫度進行控制[14-15].入模溫度直接影響到混凝土所能達到的最高溫度.入模溫度高，則內部達到的最高溫度就越高，其隨之產生的溫度應力也就越大，混凝土水化反應速率就會越快，且因混凝土澆筑初期絕大部分水化熱將會被釋放，故不利于對溫度的管控.因此，在海洋環境下應更加嚴格控制入模溫度.為了盡量降低原材料的溫度，可采用砂石骨料搭設遮陽棚、將粗骨料沖淋降溫至30 ℃以下、提前備料將礦粉和水泥溫度降至60 ℃以下以及加入碎冰或冰塊將拌和水溫降至10 ℃以下等.通過采用以上多種溫控手段，本橋混凝土入模溫度為26.3 ℃，符合入模溫度不高于28 ℃的要求.

2.4 冷卻水管道布設

基于溫控計算分析，為滿足相關溫控參考標準要求，需在距承臺底面0.5、1.5、2.5、3.5、4.5和5.5 m 高度處布置6 層冷卻水管；水管平面布置為順橋向方向和橫橋向方向，均距承臺邊1 m，水平間距均為1 m；各冷卻水管均設置單獨的閥門以控制每層冷卻水的流速.

現場溫度監測結果顯示，承臺各層水管的進水溫度為19.5～32.6 ℃，表面溫度為24.3～44.7 ℃，進出水溫之差為1.3～15 ℃，符合養護用水與表面溫度溫差≤15 ℃的溫控標準.

3 測試結果分析

對湄洲灣跨海大橋310#承臺進行溫度監測并予以分析.表8 為混凝土溫度特征值監測數據，圖4 為承臺4 號測溫元件混凝土溫度特征值歷時曲線，圖5 為承臺9 號測溫元件混凝土溫度特征值歷時曲線.從圖4 和圖5 可以看出，初期混凝土溫度快速上升，在接近72 h 時達到最高峰，之后緩慢下降.

表8 承臺混凝土溫度特征值監測數據

圖4 承臺4 號測溫元件混凝土溫度特征值歷時曲線

圖5 承臺9 號測溫元件混凝土溫度特征值歷時曲線

從以上監測數據可以看出，混凝土于澆筑后19～24 h 在測點監測區域開始升溫，72 h 左右溫度達到最高值，最高內部溫度為63.1 ℃(≤65 ℃)，滿足溫控標準；表面和內部最大溫差為20.4 ℃(≤25 ℃)，混凝土表面溫度發展平穩，滿足溫控標準；溫度達到峰值后即呈現緩慢下降趨勢.一般為0.3～3.5 ℃，部分時段降溫速率超出溫控標準2.0 ℃/d.部分時段降溫速率較快的原因主要是在海風作用下承臺散熱比較快，可以通過調整進水水溫并對冷卻水管水流量進行控制，將降溫速率控制在2.0 ℃/d 以內.

4 結論

因跨海橋梁處于高鹽濕熱的海洋環境，其混凝土材料組成、配合比、強度以及外部環境等與內陸差別很大，所以內陸江河的橋梁大體積混凝土溫控經驗不能照搬應用于跨海橋梁.本文對首座跨海高鐵斜拉橋承臺溫控進行了設計與研究.通過試驗研究，設計并優化了混凝土配合比，建立了計算模型以研究大體積混凝土溫控發展的規律.結果表明：當P.O42.5 水泥含量由310kg 降至280 kg 及粉煤灰由125 kg 增至142 kg 后，混凝土抗壓強度略有降低，且其水化熱絕熱溫升下降了5℃；基于有限元模型并結合絕熱溫升和熱源函數計算公式，所得內部最高溫度值和溫差值，與實測結果相比偏差在2 ℃以內.基于本文的研究結果，擬定了跨海大橋溫度控制參考標準，可為同類海洋環境下橋梁大體積混凝土溫控設計提供參考.