宿淮四合同段五何口特大桥主塔承台砼温控方案2.doc

宿淮高速四合同段五河口特大桥主塔承台温控汇报1工程概况宿淮高速四合同段五河口特大桥主塔承台为长49.5m，宽33.1m，高6.0m矩型钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C30，混凝土方量为9830m3，采用立式钢模板分两次进行混凝土浇筑。第一次浇筑厚度为3.2m，混凝土方量为5240m3，第二次浇筑厚度为2.8m，混凝土方量为4590m3。承台基础为26根250cm的钻孔灌注桩和50cm厚的C25垫层混凝土。受宿淮四合同段项目经理部的委托，武汉港湾工程设计研究院对五河口特大桥主塔承台大体积混凝土进行了仿真计算。计算了大体积混凝土内部温度场及仿真应力场，根据计算结果制定了主塔承台不出现有害温度裂缝的温控标准，并据此制定了相应的温控措施。温控计算采用武汉港湾工程设计研究院与清华大学联合开发的大体积混凝土施工期温度场与仿真应力场分析程序包进行。该计算能够模拟混凝土实际施工过程，不仅考虑了混凝土的浇筑分层、浇筑温度、养护、保温和混凝土的边界条件，而且考虑了混凝土的弹性模量、徐变、自生体积变形、水化热的散发规律等物理热学性能。大体积混凝土由于水泥水化过程中产生的水化热，浇筑后初期混凝土内部温度急剧上升引起混凝土膨胀变形，此时混凝土弹性模量很小，升温引起受基础约束的膨胀变形产生的压应力很小，但在日后混凝土温度逐渐降低收缩变形时，其弹性模量比较大，降温引起的变形受基础约束会产生相当大的拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会产生温度裂缝，影响混凝土结构的耐久性。此外，混凝土内部温度较高时，外部环境温度较低或气温骤降期间，内外温差过大在混凝土表面也会产生较大的拉应力而出现表面裂缝。武汉港湾工程设计研究院于1992年首先在黄石长江大桥主墩承台（C30）和墩身（C55）混凝土进行了温度裂缝监控，有效地确保了承台和墩身混凝土没有出现温度裂缝。1993年又承接了交通部下达的“超大体积混凝土温度裂缝控制措施研究”的科研项目，对大体积混凝土进行了深入的研究，并和清华大学联合开发了大体积混凝土施工期温度场及仿真应力场分析程序包。随后在温州大桥、江阴长江大桥、宜昌长江大桥、广西贵港航运枢纽工程、润扬长江大桥、荆州长江大桥、军山长江大桥等工程中进行了现场温度及应力监控，取得了良好的效果。近年来完成的主要工程见表1-1。 近年来完成的主要温控项目 表1-1 编号工 程 名 称工 程 部 位监控时间施工单位1黄石长江大桥主墩承台、墩身19911992中港二航局2温州大桥主墩承台1994中港二航局3武汉白沙洲长江大桥主墩承台1994中港二航局4江阴长江大桥南北塔承台、塔座、塔身实心段、北锚碇19951996中港二航局5宜昌长江大桥南北锚碇19981999湖南路桥四川路桥6贵港航运枢纽工程船闸上、下闸首、闸室、拦河坝19951998中港二航局7荆州长江大桥32墩承台、塔座、塔柱实心段1999中港二航局8武汉军山长江大桥5墩承台1999中港二航局9鄂黄长江大桥4、5主墩承台、塔座、塔柱实心段2001中港二航局四川路桥10江苏解台船闸上、下闸首及闸室2001中港二航局11湖北仙桃汉江大桥主墩承台2002中港二航局12云南元江大桥主墩承台2002中港二航局13润扬长江公路大桥北塔承台、塔座、塔柱实心段、北锚碇底板、顶板、锚体混凝土20012002中港二航局14湖北巴东长江大桥主塔承台20012002四川路桥公路二局15四川奉节长江大桥主塔承台2001中港二航局16安庆长江大桥主塔承台、塔身20022003中港二航局2.基本计算资料 2.1气象资料桥位区的气温资料见表2-1。 2002年112月气温资料 表2-1时 间最高温度（）最低温度（）空气湿度（）备注1月份16.5-5.469砼施工月份2月份16.9-3.4723月份23.1-0.5744月份28.33.4745月份33.48.3806月份35.617.3727月份37.021.0828月份34.618.8859月份33.813.17910月份30.32.77411月份22.0-3.065砼施工月份12月份16.1-8.777砼施工月份 2.2原材料的选择施工现场选定的原材料如下：（1）水泥品种与厂家水泥选用江苏徐州巨龙牌P.C32.5复合水泥；（2）粉煤灰选用淮安华能电厂级粉煤灰；（3）砂江苏宿迁中粗河砂，细度模数为2.42.6，含泥量2；（4）碎石江苏盱眙二级配碎石，516mm占30，1631.5mm占70；（5）外加剂采用南京水科院缓凝高效减水剂，掺量为0.6%(占胶凝材料)。2.3混凝土配合比优化根据粉煤灰混凝土应用技术规程（GBJ14690）第3.0.3条及第4.1.2条规定“大体积混凝土宜掺加粉煤灰”及“大体积粉煤灰混凝土的龄期宜采用90d或180d”，在满足设计要求的前体下，本工程采用的粉煤灰混凝土，其强度龄期也可采用相应的较长龄期。结合承台混凝土承受荷载的时间，本工程确定暂按60d龄期强度作为考核指标（项目部已上报指挥部待批）。配合比设计如下：混凝土设计等级：C30；混凝土配制强：R301.645=38.23MPa；目前工地实验室正在进行混凝土配合比优化试验，初步选定的基准配合比如下：水胶比 W/C+F0.5，用水量W170kg/m3，粉煤灰掺量F/（C+F）20，C+F340 kg/m3，F68 kg/m3，C272 kg/m3，r=40%。混凝土配合比为：0.50:1:2.11:3.37，外加剂掺量为0.6%(占胶凝材料)。2.4施工资料（1）混凝土浇筑日期承台混凝土施工时拟分两层浇筑，混凝土浇筑高度分别为3.2m和2.8m。承台混凝土11月底开始施工，元月上旬结束。混凝土出机温度随外界气温变化在510之间。（2）冷却水管布置承台混凝土冷却水管采用40mm的薄壁钢管（壁厚2.0mm），冷却水为河水，冷却水管布置图见图1。第一次浇筑厚度3.2m布置三层冷却水管，第二次浇筑厚度2.8m布置二层冷却水管，共布置五层冷却水管，其垂直间距和水平间距均为1m，最外层水管距离混凝土边缘距离分别为1.75m和1.55m。（3）混凝土浇筑强度根据现场搅拌和浇注能力，混凝土浇筑强度按100m3/h考虑。（4）承台保温混凝土顶面待终凝后覆盖麻袋和土工布进行保温养护，混凝土侧面模板外吊挂麻袋并外包土工布进行保温。 （5）约束条件 第一层混凝土底部约束为46根250cm的钻孔桩和50cm厚C20垫层混凝土。第二层混凝土变形受第一层混凝土约束，两层混凝土浇筑间歇期为10天左右。 2.5材料参数C30混凝土弹性模量、热学参数、干缩变形和自生体积变形取值见下表。 C30混凝土弹性模量取值（104 MPa） 表2-23d7d28d60d90d180d1.282.033.243.323.663.96 C30混凝土热学参数取值 表2-3线胀系数（106）导温系数（m2/h）导热系数（kcal/m.h.）最大绝热温升（）7.90.00512.744.0 C30混凝土自身体积变形取值（106） 表2-4龄期3d7d14d21d28d60d90d180d数值1.0210.5415.035.06-4.88-7.25-20.00-50.30备注：表中“”表示收缩 水泥水化热试验结果 表2-5水 泥粉煤灰外加剂水化热（Jg）1d3d7dP.C32.5 80淮安级灰200.61281882302.6混凝土材料参数及数值模型混凝土材料参数参考有关设计规范及工程试验结果。计算中使用的绝热温升、弹性模量、徐变度拟合公式分别为：（1）水泥水化热 水泥水化热公式取双曲线函数： （2-1）式中：最终绝热温升，时间，m1, m2 参数。（2）弹性模量 弹性模量随时间的增长曲线采用四参数双指数形式，即 （2-2） 式中： 为初始弹模，为最终弹模与初始弹模之差，为与弹模增长速率有关的两个参数。其值分别取0.14和0.17。（3）徐变度 根据工程经验，取C30混凝土徐变度如下（单位：10-6MPa）： （2-3） 3主塔承台大体积混凝土温控计算3.1计算结果及分析 （1）温度场主要特征 混凝土浇筑后23天即达到温度峰值，混凝土内部最高温度约为51，温峰持续1天左右温度开始下降，初期降温速度较快，以后降温速率逐渐减慢，至1520天后降温平缓，温度趋于准稳定状态。混凝土温度分布为中部温度高，四周温度较低。（2）应力场主要特征承台混凝土主要龄期的最大主拉应力见表31和32。 第一层 承台混凝土最大温度主拉应力（MPa） 表3-1龄期(d)714286090120140应力1.251.602.402.953.203.103.05 第二层 承台混凝土最大温度主拉应力（MPa） 表3-2龄期(d)714286090120140应力1.251.622.432.983.273.163.103.2结果分析根据计算结果，承台内部温度应力呈现出四周边缘应力较大，而中间应力较小的特征，混凝土14天抗裂安全系数为K1.59，28天抗裂安全系数为K1.36，60天抗裂安全系数为K1.35。故施工时在保证混凝土质量均匀和采取适当的温控措施后，可以保证承台不产生有害温度裂缝。 C30混凝土劈裂抗拉强度取值 表3-3龄 期(d)7142860Rpl（MPa）1.792.573.34.034温度控制标准 根据计算结果，在施工期内为保证承台不出现有害温度裂缝，采取温控标准如下：（1） 混凝土浇筑温度混凝土浇筑温度是指：混凝土浇筑后，在第二层混凝土覆盖前，距混凝土表面510cm处的温度。应控制混凝土浇筑温度不超过15；（2）混凝土内外温差混凝土内外温差是指：混凝土内部平均最高温度与表面温度之差。应控制混凝土内外温差不超过25；（3）混凝土内部最高温度混凝土最高温度是指浇筑层混凝土温度升高到最高时的断面平均最高温度，而不是指混凝土某一点的最高温度。应控制混凝土内部最高温度不超过51； （4）混凝土最大绝热温升不大于44。5温控措施5.1优化混凝土配合比，降低水泥水化热温升 选择级配良好的砂、石料，减少水泥用量；采用优良的缓凝高效减水剂，降低用水量；选用水化热低的复合水泥并掺加粉煤灰，是降低混凝土内部水化热温升的重要环节，因此必须进行混凝土配合比优化设计。5.1.1混凝土原材料质量控制（1）水泥：采用32.5复合水泥，水泥应分批检验，质量应稳定。如果存放期超过3个月应重新检验。（2）粉煤灰：在规范允许范围内尽量增加粉煤灰掺量，以推迟水化热温峰的出现，降低砼绝热温升。粉煤灰入场后应分批检验，质量应符合用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB1596-91）级灰的质量标准。（3）细骨料：砂含泥量必须小于2%，并且无泥团，其它指标应符合规范规定，砂入场后应分批检验。（4）粗骨料：石子级配必须优良，来源稳定。入场后分批检验，严格控制其含泥量不超过1.0%，如果达不到要求，石子必须用水冲洗合格后才能使用，其它指标必须符合规范要求。 （5）外加剂：采用南京水科院生产的优质缓凝高效减水剂，以最大限度降低水泥用量，推迟水化热温峰的出现。外加剂入场后应分批堆放，分批检验，如发现异常情况应及时采取措施并报告。外加剂在使用前需提前分袋称好，并适当延长搅拌时间。5.2混凝土拌合物5.2.1混凝土和易性控制混凝土拌合物应具有良好的粘聚性，不离析、不泌水，初始坍落度应控制在16-18cm，初凝时间应大于35h。5.2.2混凝土出机温度的控制 水泥入场温度不应超过60，在混凝土浇筑前应事先与水泥厂取得联系，延长水泥的存放时间。在每次混凝土开盘之前，试验室应量测水泥、砂、石、水的温度，专门记录，计算其出机温度，并估算浇筑温度。如外界气温低于0时，应按混凝土冬季施工要求进行施工，防止混凝土骨料含水结冰。5.3控制混凝土浇筑间歇期 混凝土浇筑应做到短间歇、连续施工。第一次和第二次混凝土的施工间歇期应控制10天左右。5.4冷却水管使用要求5.4.1水管位置冷却水管按图1布置安放，冷却水管进水口应集中布置，以利于统一管理。5.4.2冷却水管使用及其控制（1）冷却水管使用前应进行压水试验，防止管道漏水、阻水；（2）混凝土浇筑到各层冷却水管标高后即开始通水，通水时间一般1015天，具体时间可根据检测结果确定。通水流量应大于25L/min；（3）应严格控制进出水温度，在保证冷却水管进水温度与混凝土内部最高温度之差不超过30条件下，尽量冷却水温度；5.5养护混凝土终凝后应在表面洒水养护，养护时间不得少于14天。养护对混凝土强度正常增长及减少收缩裂缝具有重要意义，因此施工中必须重视混凝土的养护工作。5.6保温气温骤降或寒潮是混凝土表面产生浅层裂缝的主要原因。由于承台冬季施工，冬季又是寒潮的多发季节，因此应特别重视混凝土的保温工作，控制混凝土的内外温差在25以内。具体措施可在钢模板外吊挂麻袋，再用土工布包裹。如果内外温差超过温控标准，则增加覆盖麻袋和土工布的层数，直至采用碘钨灯照射以增加混凝土表面的温度。6混凝土现场温度监控6.1温度测试内容 根据温度计算成果，为做到信息化施工，真实反映各层混凝土的温控效果，以便出现异常情况及时采取有效措施，应在承台混凝土中布设温度测点。承台分二次浇筑时在承台中布置54个温度测点。测点沿承台的14部位水平布置，测点布置示意图见图2。 在监测混凝土温度变化的同时，还应监测气温、冷却水管进、出口水温、混凝土浇筑温度等。6.2现场测试要求各项测试应在混凝土浇筑后立即进行，连续不断。混凝土温度测试，峰值出现以前每2h监测一次，峰值出现后每4h监测一次，持续5天，然后转入每天测2次，直到温度变化基本稳定。6.3监测所用仪器 温度传感器为PN结温度传感器，温度检测仪采用PN4C型数字多路巡回检测控制仪，温度传感器的主要技术性能： 测温范围：-50150； 工作误差：0.5; 分辨率：0.1; 平均灵敏度：-2.1mv/。 17 附件 温度场及仿真应力分析方法1.1温度场在大体积混凝土仿真分析中，温度是基本作用荷载。混凝土内部温度变化是一个热传递问题，用有限元法求解有下面几个优点：容易适应不规则边界；在温度梯度大的地方，可局部加密网格；容易与计算应力的有限单元法程序配套，将温度场、应力场和徐变变形三者在一个统一的程序中计算。仿真应力计算中需考虑混凝土温度、徐变、自重、自生体积变形和干缩变形等的作用。热传导微分方程均匀、各向同性固体温度场满足微分方程（1-1）式：（1-1）边界条件：（1-2） （1-3）（1-4）其中：时间（h）；导热系数（kJ/（mh）；绝热温升（）；边界上的给定温度（）；边界上的给定热流（kJ/（m2h）；边界上表面放热系数（kJ/（m2h）。在自然对流条件下，是外界环境温度；在强迫对流条件下，是边界层的绝热壁温度。上述热量平衡方程（1-1）属于抛物线型的微分方程。式中第13项是由方向流入微元体的热量；第4项是微元体内热源产生的热量；最后一项是微元体升温需要的热量。微分方程表明：微元体内升温所需的热量应与传入微元体的热量以及微元体内热源产生的热量相平衡，即能量的守恒。在边界上给定温度，称为第一类边界条件；它是强制边界条件；在边界上给定热流量，称为第二类边界条件；当0时为绝热边界条件；在边界上给定对流热交换条件，称为第三类边界条件。在边界上的温度条件要首先得到满足，、边界条件是自然边界条件，在求解过程中自然得到满足。热传导的泛函形式瞬态温度场的求解就是在初始条件下求得满足瞬态热传导方程及边界条件的温度场函数。如果边界上的，以及不随时间变化，则经过一定时间的热交换后，物体内的温度场将不随时间变化，即，瞬态热传导方程退化为稳态的热传导方程，T只与坐标有关。根据最小位能原理，热传导微分方程（1-1）可以转换为温度在时给定初始温度，在边界上满足给定边界条件的泛函（1-5）的极值问题：（1-5）其中，为混凝土最终绝热温升。空间域和时间域不耦合，分别用有限元进行离散计算。空间域离散将整个求解区域R划分为有限个单元，假定单元内任一点任何时刻的温度和温度变化率由结点的温度和温度变化率通过形函数N插值得到，即：（1-6） （1-7） （1-8） （1-9） （1-10）为单元内任一点时刻的温度；是坐标x，y，z的函数；是时间的函数；m为该单元的结点数。在单元（子域）中的泛函为：（1-11）将式（1-6）式（1-10）代入式（1-11），由此可以得到单元e对结点温度的偏导数：（1-12）在单元e上把各个偏导数进行列阵（），得到：（1-13）其中：（1-14） （1-15）（1-16）热传导矩阵中第一项是单元的贡献，第二项是第三类热交换边界对热传导矩阵的修正；温度荷载向量中第一项是单元热源产生的；第二项是单元第二类给定热流边界条件产生的；第三项是单元第三类对流换边界产生的。当单元足够小时，泛函的极值条件等价于：（1-17）各个单元，集成，得到泛函的各个结点温度的偏微分：（1-18）其中：，。式（1-18）是一组以时间为独立变量的线性常微分方程组。其中R是热容矩阵，H是热传导矩阵，C与K都是对称正定矩阵，F是温度荷载列阵，T是结点温度列阵，是结点温度对时间的导数列阵。时间域离散在时段内，假定和为常矩阵，式（1-18）对任意时间都成立，则对，也成立：（1-19）（1-20）假定随时间线性变化（中心差分），则：（1-21）上式（1-21）可写成：（1-22）把（1-22）代入（1-20）得： （1-23）式（1-19）可写成：（1-24）代入式（1-23）：（1-25）上式（1-25）为求解非稳定温度场的有限单元法，只要给定时刻的温度场，由上式可以求得时刻的温度场。对于给定温度值的边界上的个结点，方程中给定下面条件：（1-26）2.2仿真应力场混凝土是弹性徐变体，在仿真计算过程中需要考虑混凝土的徐变影响。混凝土的徐变柔度为：（1-29）其中：为混凝土瞬时弹性模量；为混凝土徐变度。用增量法求解，把时间划分成一系列时间段：、：在时段内产生的应变增量为：（1-30）式中：弹性应变增量；徐变应变增量；温度应变增量；自生体积变形增加；干缩应变增量。混凝土的徐变与当前应力状态有关，还与应力历史有关，计算中需要记录应力的历史。为了提高计算的精度与效率，采用指