千米级悬索桥锚碇大体积混凝土温控技术研究

解振乙

摘要 以纳晴高速公路山区千米级悬索桥牂牁江特大桥晴隆岸锚碇大体积混凝土浇筑为例，研究锚碇混凝土在浇筑及养护过程中温度变化规律与控制措施。施工现场通过自主研发的模块化大体积混凝土温控系统，结合理论计算、科学有效的控制措施，在锚碇混凝土的浇筑温度控制中起到了良好的效果，使得混凝土的温度应力场及内外约束力得到有效控制，确保了锚碇混凝土的质量。

关键词 锚碇;大体积混凝土;温度控制; 悬索桥

中图分类号 U416.14 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）13-0041-03

0 引言

随着工业化、制造装备的快速发展，我国大跨径悬索桥的设计和施工技术取得了巨大的成就。在整个悬索桥的结构体系中，锚碇作为悬索桥的重要结构之一，它是将主缆一端稳定在锚碇上，通过索鞍将主缆中的拉力通过锚碇传入地基，同时依靠自身巨大的重力来平衡主缆的竖向拉力，通过锚碇底面与地基的摩擦嵌固力来平衡主缆的水平拉力[1]。悬索桥的锚碇一般采用大体积钢筋混凝土浇筑而成，对悬索桥主缆的承载能力和变形起着重要作用，是悬索桥的重要锚固和关键结构。锚碇混凝土一旦开裂，轻则影响构件美观，重则给钢筋锈蚀留下隐患，对混凝土的耐久性产生较大影响，同时锚碇的结构质量直接影响大桥的稳定体系，关系整个大桥的使用安全性能及寿命。因此悬索桥锚碇混凝土的质量控制尤其重要[2]。

1 工程概况

纳晴高速公路牂牁江特大桥为山区千米级悬索桥，项目区位于贵州省西部。该桥主桥为单跨钢桁梁悬索桥，引桥为钢-混组合梁，中心桩号为K107+072，桥跨布置为4 m（桥台）+4×40 m（装配式T梁）+1 080 m（钢桁梁悬索桥）+（10×60 m）（钢-混组合梁）+5 m（桥台）全长1 849 m。主缆跨度布置为（265+1 080+435）m，该桥桥塔为门式塔，采用钢筋混凝土结构。主塔塔高一岸为248.1 m，另一岸高174.1 m，主缆采用高强度平行镀锌铝合金钢丝，主桥加劲梁采用桁高7.5 m的钢桁梁，两岸锚碇均为重力式锚碇，晴隆岸锚碇混凝土方量约11万m3。牂牁江特大桥成桥效果图见图1。

2 混凝土开裂原因分析

混凝土开裂的原因有多种，如地基不稳不均匀沉降造成的开裂;混凝土收缩或干缩后引起的开裂;混凝土配合比不当造成的开裂;混凝土水化热内外温差过大造成温度应力梯度开裂。混凝土的凝固过程是一个非常复杂的物理化学变化过程，该过程既有物理反应变化，又有化学反应变化。大体积混凝土产生裂缝的主要也是最核心的原因是混凝土水化热内外温差过大造成温度应力梯度的开裂。混凝土在凝固的过程中，水泥会发生物理化学变化产生水化热，混凝土内部产生大量热量，内部温度急剧升高，形成核心温度应力场，而混凝土的表面与空气接触，一般温度相对较低，形成温度应力梯度，内外约束不一造成拉应力[3]。混凝土龄期随时间的增长，其强度逐渐升高，弹性模量也在逐渐增高，而混凝土的徐变则减小，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗温度拉应力时，应力达到其抵抗临界点时就会产生裂缝。该文针对混凝土水化热内外温差过大造成温度应力梯度开裂，通过在大体积混凝土中预埋布设冷却通水水管及大体积混凝土模块化温控系统进行研究。

3 温控控制指标

通过控制大体积混凝土的入模温度、混凝土内部核心温度、混凝土的里表温度差、水温升温、混凝土表面温度和环境温度的温差、混凝土的降温速率等参数，使得大体积的混凝土水化热内外温差控制在科学合理的范围内，进而保证大体积混凝土的浇筑及养护过程中不会出现裂缝问题。

（1）大体积混凝土的入模温度。施工现场通过在混凝土拌合站的原材料采用降温、混凝土运输降温、浇筑输送管道降温、浇筑结構物钢筋模板降温等措施，保证混凝土的入模温度控制在5 ℃≤T≤30 ℃。

（2）混凝土内部核心温度控制。通过在大体积混凝土内部布设降温水管以及智能模块化温控系统，自动调控管道水温，通过水温控制使得混凝土的核心温度≤75 ℃。

（3）混凝土的里表温度差控制在25 ℃以内。在浇筑的过程中，通过水温控制及保温模板等措施，使得混凝土的温度梯度控制在允许范围内，避免冷激造成开裂现象。

（4）水温升温控制在10 ℃。

（5）混凝土表面温度和环境温度的温差控制在≤20 ℃。

（6）混凝土的降温速率，控制在2 ℃/d以内，避免拉应力增长过过快，超过其抗拉强度允许范围造成开裂。

4 温控的流程

该桥主要的研究方向是通过在大体积混凝土中布设通水水管及动态、智能化、信息化、网络化的进行大体积混凝土模块化的温度控制研究。使得大体积锚碇混凝土的温度控制在规范范围内，确保混凝土不开裂。工程现场对大体积混凝土温度的控制过程是一个动态调整的过程，根据大体积混凝土核心温度应力传感器的数据反馈，根据温控控制指标参数，实时控制通向混凝土内部的水温，通过对水温的动态调整，达到对大体积混凝土温度的控制，进而满足混凝土内部核心温度、混凝土的里表温度差、水温升温、混凝土表面温度和环境温度的温差、混凝土的降温速率等参数要求。进行温控的流程首先是进行混凝土配合比设计，其次是进行计算（预测）温度技术指标，制定混凝土入模前温度控制措施（含拌合站原材料、运输过程、混凝土管道输送等降温措施），然后根据现场地形地貌实际情况进行浇筑方案确定（浇筑分层、分块、温控水管和温度应力传感器布设及参数），最后是现场温控系统布置及混凝土浇筑。整个过程是一个动态优化调整过程。

5 混凝土水化热控制

该桥大体积锚碇混凝土浇筑采用预埋冷却水管进行混凝土内部降温，并根据在混凝土内部埋设的温度传感器实时反馈混凝土内部实际温度，通过温控系统进行温度控制，确定拆模实际、养护时间等参数。锚碇混凝土设计参数，依据该项目设计资料，晴隆岸锚碇混凝土设计强度为C30。 胶凝材料总量（W）为352 kg，其中粉煤灰掺量为141 kg， P.O42.5级硅酸盐水泥掺量为211 kg。粉煤灰掺合料水化热调整系数K1=141÷352=0.4，根据《大体积混凝土施工标准》（GB 50496—2018）规定K1取值为0.82。P.O42.5级硅酸盐水泥水化热Q0=4/（7/Q7−3/q3）=4/（7÷280−3÷250）=307.7 kJ/kg，规范规定P.O42.5级普通硅酸盐水泥7天水化热（Q7）≤284 kJ/kg，该项目选定280 kJ/kg，3天水化热（Q3）不大于255 kJ/kg，该项目选定250 kJ/kg。胶凝材料（水泥、粉煤灰）水化热总量Q=k·Q0=0.82×307.7=252.3 kJ/kg。混凝土绝热温升=T（t）=WQ/CP（1−e−mt）=352×252.3÷（0.97×2 410）×（1−2.718−0.87×10）=37.9 ℃（C混凝土比热，取0.97;e为常数，取2.718;t为混凝土的龄期，取10天; m为系数取0.87）。

5.1 冷却管布置

最大限度限制最高温，混凝土在浇筑后，对降温作用最大的是管冷措施，因此管冷措施应充分考虑以降低最高温;最大限度限制最大应力，混凝土内部应力不仅与最高温有关，与外部约束也存在直接关系，因此应以应力控制为基本准则，控制内部温度场的分布。冷却水管管径采用Φ45×2.5 mm。管冷布置参数：相邻冷却管在平面上，其中心间距控制在1.0 m以内;相邻冷却管高度方向上，相邻两冷却管竖向中心间距控制在1.0 m以内;最底层冷管距混凝土底面控制在0.7 m，距混凝土顶面或分层面控制在0.7 m。 为达到充分降温冷却水管应均匀分布在混凝土内，上层冷却水管与下层冷却水管垂直呈井字形布置。

冷却水管通水一般持续14天左右，采用通水方式对混凝土进行物理降温，根据混凝土内部埋设的温度应力传感器的测温反馈，使得大体积混凝土内部最高温度与施工现场3日内日平均温度温差值在15 ℃以内时，即可停止通水。冷却水管停止通水同时混凝土养生完成后，利用空压机空气压力将冷却水管内残留的水通过风压出冷却水管以外。最后在冷却水管内采用循环灌浆方式压注水泥浆液，保证冷却水管内浆液饱满密实。

5.2 模块化智能温控系统

项目采用模块化智能温控系统，该系统包括三部分：温控中央控制箱、混凝土及进出水口温度采集及调温系统和温控系统在线平台。系统基本工作原理如图2，系统现场布置如图3。

实时监测：设备为多模块组合控制，多模块通过无线传输实现温控相关数据的采集、监测和储存。自动调节：控制系统根据其他模块实时传输的数据经过计算分析后将自动调节冷热水混水比例和水泵的开启、关闭，以实现温控设备的自动调节。独立控制：模块化温控设备将根据各层混凝土实时温度实现各层各块的独立控制。设备轻便：设备轻型化，便于现场布设和转运，可根据实际情况更换各模块。

（1）每套模块化温控系统可供应混凝土同一区域1层冷却管系统;在进水口安装冷热水稳压装置，为每一个回路提供恒压恒温供水系统。每个回路第一次供水温度应与环境温度相似。

（2）通过大体积混凝土内部温度传感器实时传输反馈混凝土内部温度，采用智能温控系统进行智能调控进水流量及水温调控，进水温度与混凝土温度差应控制在15～25 ℃以内;出水温度与进水温度差3～6 ℃。即进水温度始终保持低于混凝土内部温度15 ℃，根据设定温度之差，冷却管进水口温度由混凝土内部温度变化自动调节（控制系统自动调节）;由出水口温度调节进水口温度，温差过大时适当增大流量，温差过小时可减小进口流量。

（3）通过混凝土内部温度传感器传输反馈混凝土内部温度，通过冷却水管调节水温保证混凝土降温速率控制在2 ℃/d。

（4）混凝土温度采集为15 min一次，根据混凝土温度采集调节每层冷凝管进口水温。

（5）当混凝土内部温度连续4 h下降大于1 ℃时，温控设备自动开启热水泵，以提高热水比例来减缓混凝土内部温度的下降速率。

5.3 温控监测数据成果分析

浇筑施工过程中监测混凝土入模温度与内部温度情况，并在浇筑混凝土达到终凝后打开循环水冷系统，纳晴高速公路牂牁江特大桥晴隆岸锚碇混凝土入模温度均控制在22～26 ℃之间，满足《大体积混凝土温度测控技术规范》（GB/T 51028—2015）5.1.7条的规定混凝土入模温度宜控制在5～30 ℃之间的要求。混凝土升温前期，其内部核心温度与混凝土表面温差均控制在25 ℃以内，在养护阶段混凝土内外部温度降温速率控制在2 ℃/d内，降温平顺，未出现急剧降温情况，现场未发现温度裂缝产生，在浇筑混凝土后的70 h左右，其温度达到峰值。锚碇混凝土最高温度为49.3～63.2 ℃，在可控范围内。

5.4 表环温差监测结果分析

锚碇在养护中均采用了外保内降的控制方法，通过混凝土浇筑至养护期间各层测点表环温差时程变化的相关数据可以看出：在混凝土养护阶段采取在混凝土表面覆盖温水的方式进行保温，混凝土温度未出现剧烈變化，整体可控，现场未发现温度裂缝。

5.5 锚碇温控结果分析

通过监测锚碇混凝土各层温度变化结果，可知平均入模温度为24.7 ℃，满足入模温度5～30 ℃的控制要求;锚碇温度最高值为64.4 ℃，满足最高温控制要求;混凝土里表温差控制在温度指标要求范围内，现场未发现温度裂缝产生;在降温期，表环温差逐渐降低至温控要求范围。

5.6 锚碇混凝土温控总结

锚碇混凝土温控入模温度、最高温度、里表温差、表环温差、各层混凝土温度控制满足控制要求。根据前期温控计算，模块化智能温控系统满足《大体积混凝土温度测控技术规范》（GB/T 51028—2015）的相关要求，混凝土降温平稳，无贯穿开裂等风险。

6 结语

纳晴高速公路牂牁江特大桥晴隆岸锚碇大体积混凝土浇筑温度控制，智能化技术为突破点，以现场反映问题为导向、质量控制为目标、可视化数据终端的温控系统。通过对大体积混凝土浇筑前的理论计算预测设计、科学的温控系统及有效控制措施，执行温度控制计算（预测）、温控监测、验证（调整）、计算（预测）的动态优化过程，在锚碇混凝土的浇筑温度控制中取得良好的效果。

参考文献

[1]张艳艳， 郭朋朋. 基于物联网的公路边坡危岩体监控预警系统[J]. 自动化与仪器仪表， 2021（10）：144-147.

[2]梁中沛， 郭兴. 高速公路高边坡治理中对监测技术的应用[J]. 中国高新科技， 2019（12）：94-95.

[3]张南童. 高速公路高边坡无线远程监测技术应用[J]. 交通世界， 2021（9）：79-80.