滨海地区公路桥大跨度连续梁冬季悬浇施工的温度控制技术

叶亦盛 王增峰

中建三局基础设施建设投资有限公司 湖北 武汉 430064

1 工程概述

1.1 工程概况

河北省唐山市曹妃甸工业区跨纳潮河2#大桥工程位于曹妃甸工业区中部，是连接纳潮河南北两岸的重要交通通道，也是工业区综合服务区南北向的主要生活性城市桥梁。主桥上部结构采用分离式左右幅预应力混凝土连续梁，全长525 m，七跨一联（50 m＋5×85 m＋50 m）布置，每幅桥宽16.5 m，中间预留宽13 m轨道交通线路空间，单箱单室直腹板断面，箱宽8 m，墩顶梁高5 m，跨中梁高2.5 m（图1）。

1.2 气候条件

曹妃甸工业区属暖温带半湿润大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，盛行偏西北风，平均风速为5.1 m/s，极端最低气温－25.7 ℃。经多年气象资料显示，曹妃甸地区在冬季最低气温在－15～－10 ℃。

2 施工方案设计

2.1 混凝土配合比设计优化

图1 箱梁截面

箱梁混凝土设计强度等级为C50，水泥采用普通硅酸盐水泥，掺用以防冻剂-减水剂-早强剂-引气剂组成的复合外加剂以增加其抗冻能力。在保证主梁混凝土特征稳定的前提下，对混凝土的配比进行优化，将混凝土配合比调整为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶砂∶碎石∶水∶减水剂=338∶77∶68∶637∶1 135∶145∶9.7。

2.2 拟采用的保温方案

根据工程特点及气候条件，采用蓄热法、蒸汽加热法和暖棚加热法等3种方式，拟采用以下技术方案[1-3]：

1）方案1：箱梁腹板混凝土外侧面散热面为厚1 cm钢模板＋厚1.5 cm挤塑板＋厚3 cm棉被，同时受外围热水管（水管间距25 cm）温度作用，保证外侧温度为10 ℃；内侧面散热面为厚1 cm钢模板，上表面采用塑料薄膜＋厚3 cm棉被覆盖。

2）方案2：箱梁腹板混凝土外侧面散热面为厚1 cm钢模板＋厚1.5 cm挤塑板＋厚3 cm棉被，同时受外围热水管（水管间距25 cm）温度作用，保证外侧温度达到10 ℃；腹板内侧面散热面为厚1 cm钢模板，同时箱室内持续通蒸汽，保障箱室内环境温度为10 ℃，上表面采用塑料薄膜＋厚3 cm棉被覆盖。

3）方案3：箱梁腹板混凝土外侧面散热面为厚1 cm钢模板＋厚1.5 cm挤塑板＋厚3 cm棉被，同时受外围热水管（水管间距25 cm）温度作用，保证外侧温度为10 ℃；腹板内侧面散热面为厚1 cm钢模板，同时箱室内持续通蒸汽，保障箱室内环境温度为15 ℃；上表面采用塑料薄膜＋厚3 cm棉被覆盖。

3 仿真模拟计算

3.1 混凝土性能指标

根据相关文献得出大体积混凝土的热学性能。箱梁绝热温升54.5 K，比热容0.91 kJ/（kg·K），导热系数8.9 kJ/（m·h·k），泊松比0.165，线膨胀系数10×10-6K-1，强度增长系数a=4.5、b=0.95、d=1.11，散热系数根据各方案分别取值。

3.2 箱梁结构模型参数

1）构件尺寸：箱梁1#块尺寸为（8.000～16.200） m×3.500 m×（4.141～4.519） m。

2）约束条件：箱梁采用悬臂挂篮浇筑，下部无约束，受已浇筑相邻箱梁约束。

3）分层分块：箱梁一次浇筑完成。

根据结构对称性，取箱梁混凝土1/2进行混凝土内部温度和应力计算（图2）。

图2 箱梁1#块大体积混凝土1/2网格剖分（含0#块约束条件）

3.3 不同保温方式对箱梁混凝土裂缝的影响

冬季极端期，不同模板外侧保温措施的大体积箱梁混凝土仿真计算边界条件如表1所示。其中：

1）环境温度：冬季极端期箱梁混凝土施工，环境温度取为－15～0 ℃。

表1 冬季常温期箱梁大体积混凝土边界条件

2）入模温度：冬季施工控制为≥5 ℃，仿真计算取为5 ℃。

3）散热条件：等效散热系数可根据文献[1]中的公式2-3-4、公式2-3-5进行计算。本工程的计算取风速为2 m/s。

根据以上设定的各方案设定条件，冬季常温期箱梁大体积混凝土内部最高温度及最大内表温差结果见表2，并可得到方案1、方案2和方案3内部最高温度包络图（图3）。

表2 箱梁混凝土内部温度计算结果

图3 混凝土内部最高温度包络图

冬季箱梁大体积混凝土应力计算结果见表3。可以看出，方案1、方案2的混凝土3 d最小抗裂安全系数分别为1.31和1.38（＜1.4），存在一定的开裂风险；方案3的混凝土3 d最小抗裂安全系数为1.40（≥1.4），抗裂安全性基本满足要求。

4 现场实施

1）为保障箱室内外环境温度可控，现场悬浇梁节段整体采用帆布包裹，帆布周边间距50 cm各设绑扎带1条，绑扎带远离帆布边缘30 cm，以确保相邻帆布绑扎后重叠不漏风。悬臂端端面帆布与顺桥向自翼缘板垂落帆布绑扎后形成封闭的保温空间。为防止大风将帆布刮走或刮坏，帆布内侧绑扎带与挂篮模板绑扎牢固（图4）。

表3 箱梁混凝土内部应力结果

2）箱梁腹板混凝土外侧面散热面粘贴挤塑板作为保温层，挤塑板嵌入模板纵横肋之间；在挤塑板外侧以25 cm间距布设热水循环管道，通过热水锅炉进行循环加热，保持模板外侧的温度。固定挤塑板和热水循环管道通过φ8 mm钢筋与模板纵横肋点焊固定（图5）。

图4 挂篮外侧帆布整体包裹

图5 挂篮模板外侧嵌挤塑板及 热水循环管道布设

3）混凝土浇筑选择在白天温度较高时段进行，有利于混凝土入模温度的控制。为确保混凝土在入模前结合面温度不低于5 ℃，对上一节段悬臂端截面已浇筑混凝土表面用热水进行浇淋，对梁体模板和钢筋采用电热风炮加热，保证该结合部温度在5 ℃以上。

4）针对箱梁顶板容易散热受冻的问题，在顶面先覆盖一层塑料薄膜，再在其上加装电热毯，然后覆盖棉被，加强顶板部位保温。

5）在箱室内，采用电蒸汽发生器升温，根据温度监测装置，适时启动电蒸汽发生器向箱室内输送蒸汽，确保箱内温度不低于15 ℃，并保持箱室内温度基本恒定。

5 温度监测分析

混凝土浇筑前在箱梁内设置温度传感器作为测温点，测温点布置在保温最差部位，以备养护时对梁体混凝土进行温度监测，即翼缘板左右侧各设置1个，顶板中设置1个，底板中设置1个，左右腹板处各设置2个，一组共计8个测温点（图6），均采用测温线，腹板及底板测温线统一引到箱室内，顶板测温线由顶板引出。

图6 箱梁1#块测温元件布置示意

箱梁混凝土冬季施工温度监测数据如表4所示。从监测数据（表4、图7）可以看出，混凝土入模温度为8.0～10.9 ℃，符合浇筑温度≥5 ℃的温控标准。混凝土浇筑后开始水化升温，于28 h到达温峰，内部最高温度40.7 ℃，符合内部最高温度≤45 ℃的温控标准。温峰过后通过调节冷却水控制降温速率为0.3～1.8 K/d，符合降温速率≤2.0 K /d的温控标准。箱梁混凝土内表温差前期随内部温度增加而增加，后期随表面温度波动而波动，最大内表温差为20.4 K，符合≤25 K的温控标准。

表4 箱梁温度特征值监测数据

图7 冬季极端期箱梁混凝土监测点温度历时曲线

6 结语

实践证明，唐山纳潮河2#大桥冬季施工采取的蒸汽＋热水管的保温措施是行之有效的方法。从监测结果来看，温度监测结果与计算较为吻合，基本满足温控标准；从现场情况来看，未出现影响构件安全的可见裂缝，达到了预期的温控目标，实现了箱梁在极端气温条件下的混凝土施工和温度裂缝的控制，确保了桥梁混凝土结构的质量。