西堠门公铁两用大桥∅6.3 m钻孔桩水化热控制研究.pdf
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1、世界桥梁 2023年第51卷第S1期(总第224期)World Bridges#Vol.51,No.S1#2023(Totally No.224125DOI:10.20052/j.issn.1671-7767.2023.SI.019西堠门公铁两用大桥!63 m钻孔桩水化热控制研究魏剑峰魏剑峰12,朱方一朱方一3(1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室,湖北武汉430034;2.中铁大桥科学研究院有限公司,湖北 武汉430034;3.武汉铁路桥梁职业学院,湖北 武汉430050)摘 要摘 要:西堠门公铁两用大桥主桥为主跨1 488 m斜拉-悬索协作体系桥,5号墩桩基为!6.3 m超大直径钻孔桩,设
2、计桩长 90 m,考虑采用基桩内部预留空心孔进行冷却水循环降温&为选择合理的超大直径钻孔桩空心孔结构,提出基桩内部预留 但.5 m和0 m单个空心孔、3个00.5 m空心孔及5个00.3 m空心孔4种基桩结构,计算各基桩空心孔结构的水化热,并与 实心桩结果进行对比&结果表明:基桩中心预留010 m空心孔进行通水散热,结构温度场分布较为均匀且散热周期更长,有 利于减小基桩的温度应力,确定基桩采用中心预留010 m空心孔结构&为验证基桩内部空心孔结构对基桩水化热的实际影 响,进行陆地试桩,结果表明:试桩实测平均入模温度18.2 C,温度峰值71.2 C,升温时长约73 h,最大里表温差32.9 C
3、;需 采取优化混凝土配合比、降低混凝土入模温度、降低冷却水温度等温控措施进一步降低相关温度指标&关键词关键词:公路铁路两用桥;大直径钻孔灌注桩;空心孔;冷却水循环;水化热;温度;温度应力;陆地试桩中图分类号中图分类号:U443.154;U445.1 文献标志码:文献标志码:A 文章编号:文章编号:1671-7767(2023)Sl-0125-061概述概述西堠门公铁两用大桥是甬舟铁路及甬舟高速公 路复线跨越西堠门水道的公铁合建桥梁,连接金塘 岛和册子岛,位于既有西堠门公路大桥以北2.8 km 处,桥梁全长3.104 km。主桥采用主跨1 488 m斜 拉-悬索协作体系,两侧边跨对称布置为(70
4、+112+406)m,1-。西堠门公铁两用大桥主桥立面布置如 图1 所示。大桥5号墩基础区域内水深为4560 m,水下 地形高差变化为一60一45 m。墩位处基本无覆 盖层,基岩均较破碎,为花岗斑岩和流纹岩,部分钻 孔出现碎裂岩,个别钻孔处表层存在厚度小于5 m 的强风化花岗斑岩或角砾土。通过技术经济综合 比选5号墩基础最终采用06.3 m超大直径钻孔桩 基础3-。该超大直径钻孔桩设计桩长90 m,单桩截 面面积达到31.2 m2,混凝土强度等级为C45,单桩 一次混凝土量约3 000 m3(含桩头超灌部分)。目前,国内已建成的桥梁中尚未有采用直径 6 m以上的超大直径钻孔桩基础。该桥5号墩采
5、用 06.3 m超大直径钻孔桩,钢护筒直径达6.8 m(内 径为6.7 m),属于典型的大体积混凝土结构,无法 按照常规的大体积混凝土结构进行内降外保,基桩 内部无法布置冷却水管进行通水散热,外部无法包 裹保温材料进行保温4勺。基桩较大的里表温差使 得温度应力也较大,易产生开裂风险6-。为降低超 大直径钻孔桩的内部温度,考虑在基桩内部预留空2 66470+112+4061 488406+112+70680677 单位:m图图1西堠门公铁两用大桥主桥立面布置西堠门公铁两用大桥主桥立面布置Fig.1 Elevation view of main bridge of Xihoumen Rail-cu
6、m-Road Bridge收稿日期 收稿日期 022-06-27基金项目基金项目:中铁大桥局集团有限公司科学技术研究与开发项目(2022-38-重点)Project of Science and Technology Research and Development of China Railway Major Bridge Engineering Group Co.Ltd.(2022-38-Key Project)作者简介:作者简介:魏剑峰(1986),男,高级工程师2009年毕业于江南大学土木工程专业,工学学士 2011年毕业于西南交通大学建筑与土木工程专 业,工程硕士(E-mail:11
7、6529131 )&126世界桥梁 2O23,51(S1)心孔,利用空心孔通冷却水循环降温&为选择合理 的基桩空心孔结构,拟定4种空心孔结构桩方案,采 用有限元法建立不同空心孔结构桩和实心桩模型,对其水化热进行对比分析,并进行陆地试桩&2超大直径钻孔桩空心孔结构方案比选超大直径钻孔桩空心孔结构方案比选2.1 基桩结构方案5号墩桩基础为大体积混凝土结构,考虑在基 桩内部预留不同孔径的单个空心孔或多个空心孔,基桩混凝土灌注完成后利用基桩内部的空心孔进行 冷却水循环降温,以削减温度峰值,从而达到降低混 凝土里表温差的目的7-。对于超大直径钻孔桩,目 前并无相关规范直接规定其温度峰值及里表温差等 指标
8、,参照公路桥涵施工技术规范(JTG/T 36502020)及大体积混凝土施工标准/(GB 504962018)进行关键指标控制&根据基桩的主筋布置及构造需求,提出4种空 心孔结构:方案一为基桩中心预留1个空心孔,孔径 为1.5 m;方案二为基桩中心预留1个空心孔,孔径 为1.0 m;方案三为基桩内部预留5个空心孔,孔径 均为0.3 m,环形布置;方案四为基桩内部预留3个 空心孔,孔径均为0.5 m,三角布置&为便于对比分 析,将实心桩作为方案五&2.2 方案比选2.2.1 有限元模拟采用MIDAS Civil软件建立5种方案基桩结构 有限元模型&基桩单孔和多孔散热计算模型如图2 所示&基桩水下
9、混凝土采用C45,基桩混凝土配合比 参照平潭海峡公铁大桥进行相关试验及研究,其混凝 土配合比为水泥:粉煤灰:矿渣粉:砂:石:水:外加剂=244:144:96:732:1 010:144:5.88。深水桩基础水温取12 C。根据桩基所处水温,混凝 土入模温度取12 C。对于嵌入岩体中的桩基部分,其侧面等效换热系数暂取15 kj/(hC);对于处于 深水中的桩基部分,其侧面无法蓄热,处于无限散热 的条件,其侧面等效换热系数暂取200 kj/(hC);桩基底部采用固结8-。2.2.2 结 果 分 析对以上5种方案均采用相同混凝土配合比、环 境温度、入模温度、约束条件等进行计算9-,温度计 算 结 果
10、 如 表 1 所 示。由表1可知:方案三基桩结构理论温度峰值最 低,为61.4 C,方案一、二、四、五温度峰值较方案三 分别增加了 3.04%、4.07%、2.12%、10.42%。与(a)单孔散热(b)多孔散热图图2基桩单孔和多孔散热计算模型基桩单孔和多孔散热计算模型Fig.2 Calculation models of pile with one cavity and pilewithgroupcavities表表1温度计算结果温度计算结果Table1 Calculationsoftemperature方案温度峰值/C温峰出现时间/h温升值/C里表温差/C方案一63.312051.318.
11、8方案二63.912051.919.1方案三61.47249.417.9方案四62.77250.718.5方案五67.816855.824.1实心桩相比,空心孔桩温度峰值均有不同程度降低,但温度峰值差别不大,不同空心孔桩温度峰值的差 别均在5%以内&实心桩温度峰值出现在168 h;中 心单个空心孔桩的温度峰值则出现较早,在120 h;内部多个空心孔桩的温度峰值则出现得更早,在 72 ho这说明空心孔通水对于释放混凝土内部的水 化热起到了有益作用,基桩内部多孔散热效果较中 心单孔散热效果更佳&温度应力计算结果如表2所示&由表2可知:方案二基桩结构前期应力最小,约为2.19 MPa;与 方案二相比
12、,方案一、三、四、五基桩结构前期应力分 别增大了 11.37%、2.67%、6.81%及 26.51%&除 了方案五以外,各方案基桩结构后期应力较为接近,差值均在5%以内&与实心桩相比,空心孔桩应力 均有不同程度的降低&其中,中心采用!10m单孔 基桩结构温度应力最小,相较于单孔直径更大的基 桩结构,温度变化较为平稳,温度应力更小;相较于 多孔散热,结合达到温度峰值的时间,单孔散热较为 平缓,散热周期更长,有效地利用了混凝土的强度,温度应力也更小。根据桩基的承载力、完整性及耐久性要求,桩基 内部的空心结构越小越好,同时考虑到以上基桩结 构混凝土的水化热分析结果,最终推荐采用中心单 孔孔径为1.
13、0 m的单空心孔基桩结构&基桩混凝土西堠门公铁两用大桥06.3=钻孔桩水化热控制研究 魏剑峰,朱方一127表表2温度应力计算结果温度应力计算结果Table 2 Calculations of temperature stress方案前期应力后期应力应力值/MPa对应龄期/d应力值/MPa对应龄期/d方案一2.47253 0810方案二2.19253 0510方案三2.25252.9510方案四2.35253 0110方案五2.98253 4510灌注完成后利用基桩中心的01.0=空心孔进行水 循环,以减小混凝土里表温差&010=空心孔基桩 结构断面如图3所示&图图3!1.0m空心孔基桩结构断面
14、空心孔基桩结构断面Fig.3 Cross-section of pile with l.0 m cavity3 陆地试桩研究陆地试桩研究5号墩基础采用06.3=超大直径钻孔桩,钢护 筒直径达06.8=,其施工难度远超常规钻孔桩基 础&在06.3=钻孔桩正式施工前应进行工艺试桩,重点对水化热控制进行试验10,同时对桩中心孔径 为1.0=的空心结构进行验证,确认该空心结构的 降温效果&正式试桩前进行了水化热计算分析,根 据相关实测及规范取值参数,计算得到最高温度峰 值及里表温差等关键指标,并将理论计算结果与实 测结果进行对比分析&31 试验概况陆地试桩时采用钢模板代替钢护筒,试桩模板 直径为6.7
15、=,高度为10=,外钢筋笼上部4=为 双层钢筋,中间4=为3层钢筋,下部2=为双层钢 筋。陆地试桩主要流程为:场地平整$搭设灌注平 台$搭设钢筋笼支架$钢筋笼加劲圈及内支撑安 装$外钢筋笼钢筋安装$模板安装$内钢筋(含内 钢管)吊装$封底混凝土浇筑$混凝土灌注&陆地 试桩现场如图4所示&陆地试桩温度监测主要内容包括环境体系温度(c)试桩混凝土养护(d)拆模后试桩图图4陆地试桩现场陆地试桩现场 Fig.4 Ground trial pile test field 测量及混凝土温度场测量,11-,考虑混凝土内部温度 场特征以及相关规范要求:12:,在试桩高度方向布置 6层温度测点,每层布置38个温
16、度测点&3 2 水化热理论分析针对陆地试桩,考虑其实际施工环境条件、结构 特点、混凝土性能,建立试桩有限元模型,模拟试桩 过程中温度场及应力场分布情况&结合当前舟山环 境气温,水化热计算入模温度取值为16 C,绝热温 升按照规范取值为40 C,其余热学及力学参数按照 规范取值,12-。陆地试桩侧面采用钢模板,其侧面等 效换热系数暂取40 kj/(hC);顶面采用蓄水养 护,其等效换热系数暂取20 kj/(hC);桩基底部 采用固结&试桩最高温度场分布如图5所示&由图5可 知:试桩温度峰值为68.1 C,出现在混凝土浇筑后 120 h,温升值为50.1 C,里表温差为25.1 C,相关 温度指标
17、基本满足规范要求&由于陆地试桩表面无 保温措施,其表面与环境温度相当,内部010=空 心钢管处散热较好,最高温度出现在内部空心与表 面中心处&试桩主拉应力云图如图6所示。由图6可知:陆地试桩最大主拉应力为2.42 MPa,温度应力基本 满足规范要求&在混凝土的温度变化过程中,应力 的总体变化规律为:升温阶段,在混凝土内部到达温 度峰值前后,表面拉应力较大,最大值位于陆地试桩 根部外侧面;降温阶段,内部由前期的压应力逐渐变 为拉应力,13-&128世界桥梁 2O23,51(S1)68.163.959.655.451.246.942.738.534.230.025.721.5单位:。CFig.5
18、Distribution of highest temperature fields in trial pile图图5试桩最高温度场分布试桩最高温度场分布图图6试桩主拉应力云图试桩主拉应力云图Fig.6 Nephogram of principal tensile stress in trial pile3.3实测结果陆地试桩于2021年11月24日14:55开盘浇 筑,11月24日19%2浇筑完成,浇筑时长约为5 h,实测平均入模温度为18.2 C&12月3日13%0停 止监测,监测时长为211 h。由实测结果可知11月 27日约21:00试桩达到温度峰值71.2 C,升温时 长约73 h;
19、整个温度监测过程中,实测里表温差为 0.332.9 C,最大降温速率为2.32.7 C/d。试 桩实测温度时程曲线如图;所示。中心温度 一内部最高温度 亠顶面温度 十侧面温度0 25 50 75 100 125 150 175 200 225时间时间/h图图7试桩实测温度时程曲线试桩实测温度时程曲线Fig7 Timehistorycurvesofmeasuredtemperature oftrialpile由试桩实测结果可知:温度峰值出现在第4层 温度测点,即试桩6 m高度处,平面位置处于空心 钢管与试桩侧面中心处&在浇筑完成后61 h试桩 侧面达到温度峰值45.8 C,位于第2层温度测点,即
20、试桩2 m高度处&在浇筑完成后36 h试桩顶面 达到温度峰值44.7 C,空心钢管中冷却水温度为 18.628.4 C&里表温差最大值为32.9 C,出现 在开始降温后约60 h,此时内部温度还较高,由于 侧面钢模保温效果不佳,导致此时里表温差较大&试桩底面温度较为稳定,由入模温度升到温度峰值34.3 C,此后由于底面散热条件较差,底面温度均 处于30 C以上。陆地试桩整体温度峰值较高,原因 在于基桩混凝土强度等级较高且入模温度较高,混 凝土在前期就开始急剧水化放热&因此,后续需要 优化基桩混凝土配合比,尽可能选用低水化热的水 泥,从源头上控制温度峰值&在混凝土配合比一定 的前提下,内部所能达
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