承台大体积砼施工前的温度应力估算及采取的裂缝控制技术措施

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摘要：介绍重庆白果渡嘉陵江大桥主桥承台大体积砼施工前温度应力的估算，并根据验算结果采取相应的施工技术措施。
 

关键词：大体积砼 承台 裂缝控制 温度应力 施工技术措施

1  引言

　　白果渡嘉陵江大桥是国道212线四川武胜至重庆合川高速公路横跨嘉陵江的一座特大桥，全桥长1433米，主桥为（130+230+130）m预应力砼连续刚构，单箱单室，下部结构为16根24米长Ф230cm的群桩基础，上接大体积分离式承台。单幅承台结构尺寸为18.7mx10.2mx5m，单幅承台砼方量为953.7m³，一次浇注完成。

2 简述

2.1 温度应力的主要成因：

　　综上所述，在承台大体积砼施工前，必须进行砼的温度变化，应力变化的估算，以确定养护措施、分层厚度、浇筑温度等施工措施，并以此来指导施工。

3 C30承台大体积砼砼裂缝控制的施工计算

3.1相关资料：

3.1.1 配合比
水泥：粉煤灰：砂子：碎石：水：NNO -Ⅱ减水剂
369： 50   ：677 ：1148：176：3.66
 1： 0.136：1.835：3.111：0.48：1%

3.1.2 材料：
水泥：腾辉F.032.5级水泥
碎石：草街连续级配碎石（5~31.5mm）
混合中砂：机制砂40%，渠河细砂60%
粉煤灰：硌黄华能电厂Ⅱ级粉煤灰
外加剂：达华NNO-Ⅱ型缓凝减水剂

3.1.3 气象资料
　　相对湿度80~82%；年平均气温17.5~17.6℃，最高气温40.5℃，夏热期（5~9月份）平均气温20℃。

3.1.4采用自动配料机送料，装载机加料，拌和站集中拌和，混凝土泵输送砼至模内。

3.2 砼最高水化热温度及3d 、7d的水化热绝热温度

C=369kg/m³；粉煤灰32.5水泥：水化热Q_7d=257J/kg，Q_28d=222J/kg（腾辉水泥厂提供的数据）；c=0.96 J/kg.k；ρ=2400 kg/m³。

3.2.1 砼最高水化热绝热温升

Tmax=CQ/cρ=(366*257)/(0.96*2400)=40.83℃

3.2.2 3d的绝热温升

　　T_（3）=40.83*(1-e^-0.3*3)=24.23℃

　　ΔT_（3）=24.23-0=24.23 ℃

3.2.3 7d的绝热温升

    T_（7）=40.83*(1-e^-0.3*7)=35.83℃

    ΔT_（7）=35.83-24.23=11.6 ℃

(4)15d的绝热温升

   T_（15）=40.83*(1-e^-0.3*15)=40.38℃

　　T_（15）=40.38-35.83=4.55 ℃

3.3 砼各龄期收缩变形值计算

ε_y（t）=ε_y⁰（1-e^-0.01t）*M₁*M₂*…*M₁₀

查表得：M₁=1.10，M₂=1.0，M₃=1.0，M₄=1.21，M₅=1.2，M₆=1.11(1d)、1.09(3d)、1.0(7d)、0.93(15d) ， M₇=0.7，  M₈=1.4，M₉=1.0，M₁₀=0.895

则有：M₁M₂M₃M₄M₅M₇M₈M₉M₁₀

       =1.10*1.0*1.0*1.21*1.2*0.7*1.4*1.0*0.895=1.401

3.3.1 3d收缩变形值

 ε_y（3）=ε_y⁰*（1-e^-0..03）*1.401*M₆

      =3.24*10^-4*（1-e^-0..03）*1.401*1.09=0.146*10^-4

3.3.2 7d收缩变形值

  ε_y（7）=ε_y⁰*（1-e^-0..07）*1.401*M₆

        =3.24*10^-4*（1-e^-0..07）*1.401*1.0=0.307*10^-4

3.3.3 15d收缩变形值

  ε_y（15）=ε_y⁰*（1-e^-0.15）*1.401*M₆

        =3.24*10^-4*（1-e^-0..15）*1.401*0.93=0.588*10^-4

3.4 砼收缩变形换算成当量温差

3.4.1 3d

T_{（y）（3）}=-ε_y（3）/α=(-0.146*10^-4)/(1.0*10^-5)=-1.46℃

3.4.2 7d

T_{（y）（7）}=-ε_y（7）/α=(-0.307*10^-4)/(1.0*10^-5)=-3.07℃

3.4.3 15d

T_{（y）（15）}=-ε_y（15）/α=(-0.588*10^-4)/(1.0*10^-5)=-5.88℃

3.5 各龄期砼模量计算E_（t）=E_c*（1-e^-0..09t）

3.5.1 3d龄期 

   E_（3）=3.0*10⁴*（1-e^-0..09*3）

        =7.1*10³N/mm²

3.5.2 7d龄期 

   E_（7）=3.0*10⁴*（1-e^-0..09*7）

        =1.40*10⁴N/mm²

3.5.3 15d龄期 

   E_（15）=3.0*10⁴*（1-e^-0..09*15）

        =2.22*10⁴N/mm²

3.6 砼的温度收缩应力计算

砼强度换算f_（n）=f_（28）*lgn/lg28，砼抗拉强度f_t=0.23*f^2/3_cu      对于C30砼f_（28）=15 N/mm²

3d龄期: f_（3）=f_（28）*lg3/lg28=15* lg3/lg28=8.76 N/mm²

f_t=0.23f^2/3₍₃₎=0.23*4.95^2/3=0.668 N/mm²

7d龄期: f_（7）=f_（28）*lg7/lg28=15* lg7/lg28=8.76 N/mm²

f_t=0.23f^2/3₍₇₎=0.23*8.76^2/3=0.98 N/mm²

由于在七月份浇注承台砼，气温较高，假设入模温度To=30℃，T_h=25℃

  3.6.1  3d龄期     H_（t）=0.57,R=0.35,V=0.15

  ΔT= To+2/3T_(t)+T_y(t)-T_h=30+2/3*24.23+1.46-25=22.61 ℃

σ=-(7.1*10³*10*10^-6*22.61*0.57*0.35)/(1-0.15)

  =0.377 N/mm²＜(0.668/1.15)=0.581 N/mm²           可

3.6.2 7d龄期     H_（t）=0.502,R=0.35,V=0.15

  ΔT= 30+2/3*35.83+3.07-25=31.96 ℃

σ=-(1.4*10⁴*10*10^-6*31.96*0.502*0.35)/(1-0.15)

  =0.93 N/mm²＜0.98N/mm²      

抗裂安全系数：K=0.98/0.93=1.05<1.15   

4  裂缝控制的施工技术措施

　　通过以上分析可知，承台基础在露天养护期间，7d龄期时，抗裂安全系数K值稍小于1.15，此时砼有可能出现裂缝，因此，在设计配合比、砼施工过程及养护期间应采取一定措施，以减小砼表面与内部温差值，使得砼表面与砼内部温差小于25℃，σ/（1.15）＜f_t，则可控制裂缝的不出现。采取如下措施：

4.1 采用双掺技术，掺入粉煤灰和NNO-II型缓凝减水剂，粉煤灰掺入采用超量代换法，减水剂的缓凝时间15个小时（通过实验室测定结果表明），延缓砼的初凝时间，延缓砼水化热峰值的出现。

4.2 通过技术性能比较，石灰岩碎石的线膨胀系数较小，弹模低，极限拉伸值大，据相关资料表明，在相同温差下，温度应力可减小50%，能提高砼的抗拉强度，因此，选用石灰岩碎石作为粗骨料；控制骨料（砂、石）的含泥量，以减小砼的收缩，提高极限拉伸。

4.3 严格控制砼的入模温度在30℃左右。选择在傍晚开始浇注承台砼，对粗骨料进行喷水和护盖；施工现场设置遮阳设施，搭设彩条布棚，避免阳光直晒；在水箱中加入冰块，降低拌和水的温度；在基坑内设一大功率的鼓风机进行通风散热。

4.4 埋设6层冷却管，每层冷却管配一潜水泵，在第一批开始砼初凝时由专人负责往冷却管内注入凉水降温，冷却水流速应大于15L/min，冷却水采用嘉陵江水，持续养生7天。通过冷却排水，带走砼体内的热量，许多工程实践表明，此方法可使大体积砼体内的温度降低3~4摄氏度。

4.5 浇注砼时，采用薄层浇注，控制砼在浇注过程中均匀上升，避免砼拌和物堆积过大高差，砼的分层厚度控制在20~30cm。

4.6 设10台插入式振捣器，加强振捣，以期获得密实的砼，提高密实度和抗拉强度，浇注后，及时排除表面积水，进行二次抹面，防止早期收缩裂缝的出现。

4.7 砼浇注后，搭设遮阳布棚，避免阳光曝晒承台表面。

4.8 砼浇注后，砼表面用土工布覆盖保温，并洒水养生，使砼缓慢降温、缓慢干燥，减少砼内外温差。

4.9 砼浇筑后，每2小时量测冷却管出口的水温和砼表面温度，若温差大于20℃时，及时调整养护措施，如加快冷却水的流通速度等措施，以控制温差小于25℃。

5  温度监测

　　承台砼入模温度为30℃～34℃，1.5d后中心温度最高达50℃，温升达20℃，3d后中心温度达57℃～60℃，温升27℃～30℃，经过10～12d降温阶段后，中心温度基本稳定。

　　承台中心与侧面中心温度的最大温差为10℃，与承台表面的最大温差为17℃左右，因此，在养护阶段必须做好承台表面的保温措施，延缓承台表面的降温速度，减小温差。

6 结束语

　　通过事先裂缝控制的验算及裂缝控制方案的周密考虑，成功地控制了承台裂缝的产生，施工后检查承台砼各表面整体光滑，未见收缩裂缝。从本工程的裂缝控制得出：裂缝控制应以合理的结构设计为基础，具体施工中从合理选材入手，加以事先裂缝控制验算并采取适当的控制措施，全方位、多层次地进行裂缝控制，才能做到真正意义上的裂缝控制。