第３６卷第２期２０１９年３月
土木工程与管理学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔＶｏｌ.３６Ｎｏ.２Ｍａｒ.２０１９
收稿日期:２０１８￣０５￣２１ 修回日期:２０１８￣０７￣２９作者简介:周乐木(１９８２￣)ꎬ男ꎬ湖南邵阳人ꎬ高级工程师ꎬ研究方向为桥梁施工技术研发及施工管理(Ｅｍａｉｌ:１５４５０８６７０＠ｑｑ.ｃｏｍ)
重力式锚碇底板超大仓面不均匀分层施工技术周乐木ꎬ 殷 源ꎬ 李伟业ꎬ 谢 超(湖北省路桥集团有限公司ꎬ湖北 武汉 ４３００５６)
摘 要:随着我国基础建设的快速发展ꎬ大体积混凝土在桥梁建设中被广泛应用ꎮ大体积混凝土温度应力分析、温度场控制、抗裂分析是施工过程中的重要研究课题ꎮ本文依托棋盘洲长江公路大桥锚碇底板工程ꎬ根据热传导理论结合有限单元法ꎬ建立了重力式锚碇底板仿真计算模型ꎮ通过系统参数分析提出了棋盘洲长江公路大桥重力式锚碇底板超大仓面不均匀分层施工技术方案ꎮ结合现场实测数据验证了本论文所提出的重力式锚碇底板超大仓面不均匀施工技术方案的有效性ꎮ关键词:重力式锚碇ꎻ 不均匀分层ꎻ 温度应力分析ꎻ 有限单元法ꎻ 收缩混凝土中图分类号:Ｕ４４５.５５ 文献标识码:Ａ 文章编号:２０９５￣０９８５(２０１９)０２￣０１３２￣０６
Ｎｏｎ￣ｕｎｉｆｏｒｍＬａｙｅｒｅｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅＧｒａｖｉｔｙＡｎｃｈｏｒａｇｅＢｏｔｔｏｍＰｌａｔｅＺＨＯＵＬｅ￣ｍｕꎬＹＩＮＹｕａｎꎬＬＩＷｅｉ￣ｙｅꎬＸＩＥＣｈａｏ(ＨｕｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｅＲｏａｄａｎｄＢｒｉｄｇｅＣｏｌｔｄꎬＷｕｈａｎ４３００５６ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＷｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎＣｈｉｎａꎬｍａｓｓｃｏｎｃｒｅｔｅｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｂｒｉｄｇｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ.Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓꎬｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｃｒａｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍａｓｓｃｏｎｃｒｅｔｅａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｐｉｃｓｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ.ＴｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｌｉｅｓｏｎｔｈｅａｎｃｈｏｒａｇｅｆｌｏｏｒｏｆｔｈｅＱｉｐａｎｚｈｏｕＣｈａｎｇｊｉａｎｇＨｉｇｈｗａｙＢｒｉｄｇｅ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｈｅａｔｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄꎬｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｇｒａｖｉｔｙａｎｃｈｏｒａｇｅｆｌｏｏｒｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐａｒａｍｅｔｅｒｓꎬｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｃｈｅｍｅｆｏｒｔｈｅｎｏｎ￣ｕｎｉｆｏｒｍｌａｙｅｒｅｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｖｅｒｓｉｚｅｄｗａｒｅｈｏｕｓｅｆｌｏｏｒｏｆｔｈｅｇｒａｖｉｔｙａｎｃｈｏｒａｇｅｆｌｏｏｒｏｆｔｈｅＱｉｐａｎｚｈｏｕＣｈａｎｇｊｉａｎｇＨｉｇｈｗａｙＢｒｉｄｇｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｆｉｅｌｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｎｏｎ￣ｕｎｉｆｏｒｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｌａｒｇｅ￣ｓｉｚｅｄｗａｒｅｈｏｕｓｅｆｌｏｏｒｏｆｔｈｅｇｒａｖｉｔｙａｎｃｈｏｒａｇｅｆｌｏｏｒｗｈｉｃｈｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇｒａｖｉｔｙａｎｃｈｏｒꎻｎｏｎ￣ｕｎｉｆｏｒｍｌａｙｅｒｅｄꎻｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓꎻｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄꎻｓｈｒｉｎｋａｇｅｃｏｎｃｒｅｔｅ
随着我国各项基础设施建设的快速发展ꎬ建筑规模不断扩大ꎮ混凝土作为一种性能稳定、受力性能较好的材料ꎬ目前被广泛应用于我国桥梁等基础设施中ꎮ重力式锚碇作为悬索桥主要受力构件ꎬ具有施工质量和技术要求高、单方混凝土用量大、连续性整体浇筑高等特点ꎮ同时ꎬ由于重力式锚碇尺寸较大ꎬ在施工过程中温度控制、分层施工工艺等因素直接影响着其后期使用过程中的工作性能ꎮ因此ꎬ针对重力式锚碇大体积混凝土施工过程中温度应力分析、温度场控制ꎬ提出有效的施工工艺是目前工程界重点关注的关键技术问题之一ꎮ国内外很多学者针对大体积混凝土施工过程中温度场分布及温度应力分析进行了大量的理论及试验研究ꎮ美国的威尔逊教授[１]最早利用有限元时间过程分析法来分析混凝土温度场ꎻ日本的专家学者[２ꎬ３]不仅考虑了混凝土徐变应力场的计算ꎬ而且对温度应力场也进行了深入研究ꎻ国内 第２期周乐木等:重力式锚碇底板超大仓面不均匀分层施工技术方面ꎬ刘宁等[４]综合考虑各种随机因素对三维大体积混凝土结构随机温度场的计算方法进行了研究ꎬ提出了基于随机场局部平均的温度场随机变分原理和随机有限元列式ꎬ并首次视复频响应函数为随机函数ꎬ给出了复频响应函数–随机有限元法ꎬ有效地克服了谱密度法求解随机温度场时不能考虑材料物理参数随机性的局限性ꎮ针对采用统一的时间步长计算不经济的特点ꎬ朱伯芳[５]提出了一种求解不稳定温度场的分区异步长解法ꎮ即在温度变化剧烈的区域采用较小的时间步长ꎬ而在温度变化速率较小的区域采用较大的时间步长ꎬ从而可大大提高计算效率ꎮ马保国等[６ꎬ７]研究微矿粉在大体积混凝土中水化热、抗裂分析以及自催化效应ꎮ研究表明ꎬ通过原材料的选择、施工工艺的改进等措施ꎬ能够降低大体积混凝土温度峰值ꎮ刘沐宇等[８]在大体积混凝土施工过程中进行了实时温度监测ꎬ实现了大体积混凝土温度控制的信息化施工ꎬ为大体积混凝土保温保湿养护提供了相关科学依据ꎮ张湧等[９]针对桥梁大体积高强度混凝土施工特点ꎬ从配合比设计、材料选择、降温及保湿等方面分析了大体积混凝土的温度特性ꎬ指出水泥在硬化过程中释放大量的水化热ꎬ产生的温度应力超过混凝土的极限抗拉强度是导致裂缝的主要原因ꎮ同时ꎬ结合实测大体积混凝土结构温度场ꎬ分析了造成大体积混凝土开裂的主要因素ꎮ王强等[１０]针对高强混凝土中总胶凝材料用量较多导致水化热剧烈ꎬ从而产生裂缝的问题ꎬ依据水化热试验确定大体积高强度混凝土水化热的计算参数ꎬ运用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件对大体积高强度混凝土施工过程中的温度场进行了分析ꎮ谭广柱等[１１]通过对大体积混凝土温度场和应力场的现场测试ꎬ建立了相关数值计算模型ꎬ根据大体积混凝土的现场力学性能非线性增长的特性ꎬ分析了养护过程中大体积混凝土应力场的分布、变化过程ꎮ孙维刚等[１２]以普立特大桥重力式锚碇散索鞍支墩基础第一层混凝土浇筑为例ꎬ对其水化热温度进行了连续监测ꎬ利用混凝土温度有限元理论ꎬ结合散索鞍支墩基础所处的环境状况ꎬ建立了考虑冷却管的三维有限元模型ꎬ对混凝土浇筑过程中的温度场进行了模拟计算ꎮ赵蒙屏等[１３]将混凝土徐变模型和本构方程引入ＡＮＳＹＳꎬ在ＵＳＥＲＭＡＴ.Ｆ中通过高斯积分直接生成温度徐变荷载ꎬ实现混凝土温度徐变应力分析ꎬ克服了传统通过调用温度徐变荷载文件而计算效率较低的缺陷ꎮ夏雄等[１４]通过分析大体积混凝土中心温度的经时变化、表面温度的经时变化ꎬ总结出大体积混凝土中心最高温度、表面温度随时间变化的３个阶段并对其变化曲线进行描述ꎮ既往研究表明ꎬ大体积混凝土温度控制是一个系统工程ꎬ需要多方位、多角度综合考虑ꎮ因此ꎬ本文依托棋盘洲长江公路大桥重力式南锚碇底板超大仓面施工为背景ꎬ采用有限元模型模拟补偿收缩混凝土条件下大体积混凝土内部温度应力分布情况ꎮ依据数值分析结果提出棋盘洲长江公路大桥重力式南锚碇底板超大仓面不均匀分层施工技术ꎬ为防止锚碇底板温度裂缝的产生提供有力保证ꎮ
１ 工程背景
棋盘洲长江公路大桥重力式南锚碇基础采用内径为６１ｍ、壁厚１.５ｍ的圆形地下连续墙加环形钢筋混凝土内衬结构(见图１)ꎮ基坑深度５２ｍꎬ底板平面形状为半径２８.０ｍ的圆形板状大体
积混凝土结构ꎬ底板厚度６ｍ(见图２)ꎬ混凝土强度等级为Ｃ３０ꎬ抗渗等级Ｐ１２ꎬ混凝土方量约为１５３１０.６ｍ３ꎮ南锚碇基础抵抗长江水位最大水头
差为４９.８ｍꎬ因此进行南锚碇底板施工过程中温度控制ꎬ提出有效的施工工艺ꎬ严格控制底板裂缝的产生ꎬ具有重要的工程意义ꎮ
图１ 地下连续墙施工现场6m28m图２ 底板示意
３３１ 土木工程与管理学报 ２０１９年２ 底板混凝土材料及相关力学性能指标 底板混凝土为有侧限大仓面大体积混凝土ꎬ底板受到侧面地下连续墙和内衬结构的约束ꎬ其底部受到调平层混凝土的约束产生基础约束应力ꎮ因此ꎬ为补偿因混凝土收缩产生的拉应力、提高混凝土的抗裂性能ꎬ底板混凝土将采用Ｃ３０Ｐ１２补偿收缩混凝土ꎮ经过多轮配合比优化设计及试验ꎬ在保证混凝土绝热温升较低、膨胀率较小、强度满足设计要求的条件下ꎬ最终确定混凝土配合比(见表１)ꎮ混凝土材料力学性能指标如图３ꎬ４所示ꎮ由图３ꎬ４可知ꎬ混凝土强度性能指标满足要求ꎮ同时ꎬ根据ＧＪ/Ｔ１７８￣２００９«补偿收缩混凝土应用技术规程»[１５]ꎬ补偿收缩混凝土用于补偿
因混凝土收缩产生的拉应力、提高混凝土的抗裂性ꎬ要求混凝土在水中１４ｄ的限制膨胀率≥０.０１５％ꎬ一般要求在０.０１５％~０.０４％之间ꎬ约相当
于产生０.２~０.７ＭＰａ的自应力ꎮ实测该混凝土在水中３ꎬ７ꎬ１４ｄ的限制膨胀率分别为０.０１４％ꎬ０.０１６２％ꎬ０.０１７４％ꎬ表明该补偿收缩混凝土配合
比的限制膨胀率符合标准要求ꎮ混凝土材料的其它物理力学、热力学性能相关参数的实验数据如表２所示ꎮ表１ 底板Ｃ３０混凝土配合比
结构部位混凝土配合比/ｋｇｍ
－３
水泥粉煤灰矿粉膨胀剂中砂碎石水减水剂底板１６９１２０５６３０７７９１１２０１４６４.１２
012243648
714212835/d
/MPa
图３ 抗压强度实测值02460120180/MPa/d图４ 劈裂抗拉强度实测值表２ 底板混凝土物理热学性能相关参数物理热学特性底板Ｃ３０混凝土内衬Ｃ３０混凝土垫层Ｃ２５混凝土弹性模量/×１０４ＭＰａ３.０３.０２.８２８ｄ抗压强度/ＭＰａ４１.２——比热/ｋＪ(ｋｇ℃)－１０.９３０.９３１.００导热系数/ｋＪ(ｍｈｒ℃)－１９.３０９.３０１０.００最终绝热升温/℃４０.００——热膨胀系数/×１０－６℃－１１０.００１０.００１０.００开始收缩混凝土材龄/ｄ３——３ 底板分层施工有限元仿真计算底板混凝土施工时间段为２０１８年２月~３月ꎬ处于低温期施工ꎬ混凝土外表面保温及内外温差控制难度大ꎻ底板混凝土施工跨越春节前后ꎬ施工间歇期长达３０ｄꎮ因此ꎬ混凝土内部温度应力控制、抗裂安全系数(劈裂抗拉强度试验值与对应龄期温度应力计算最大值之比)的保证至关重要ꎮＪＴＳ２０２￣１￣２０１０«水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程»[１６]统计了２０余个大体积混凝土温控工程的开裂情况ꎬ认为混凝土劈裂抗拉强度与相应龄期计算的温度应力值之比不小于１.４时ꎬ开裂概率小于５％ꎻ劈裂抗拉强度与相应龄期计算的温度应力值之比不小于１.３时ꎬ开裂概率小于１５％ꎬ据此规定了大体积混凝土的温度应力抗裂安全系数应不小于１.４ꎮ因此底板大体积混凝土温度应力抗裂安全系数取值为不小于１.４ꎮ基于以上背景ꎬ本节将进行底板水平不分块ꎬ竖直方向按照:３.０＋３.０ꎬ２.０＋２.０＋２.０ꎬ２.０＋１.５＋２.５ｍ三种方式浇筑方案的优化设计ꎮ采用Ｍｉｄａｓ有限元软件ꎬ根据结构对称性ꎬ取底板混凝土１/４进行温度应力计算ꎬ计算模型如图５所示ꎮ混凝土物理力学、热力学性能相关参数采用表２中的实测数据ꎮ计算工况如表３所示ꎮ底板大体积混凝土内部最高混凝土温度包络图如图６所示ꎮ底板温度应力及安全系数计算结果如图７所示ꎮ表３ 底板混凝土分层施工工况工况分层高度/ｍ浇筑间隔期/ｄ入模温度/℃冷却水管布设/ｃｍ２