墩承台大体积混凝土温控方案.doc

XX长江大桥Y标主塔墩承台大体积混凝土温控方案1概述XX长江大桥Y标主索塔承台长113.75 m，宽48.1 m，高13.324m，下部为哑铃型，上部(两端)为八面棱台型，混凝土方量42271m3。具有平面尺寸特大、混凝土方量多、形状复杂的特点。为典型大体积混凝土，大体积混凝土浇筑后将产生较高的水化热温升，形成不均匀非稳定温度场，产生非均匀的温度变形，温度变形在下部结构和自身的约束之下将产生较大的温度应力，温度应力往往超过混凝土的抗拉强度，导致混凝土开裂。为防止温度裂缝，保证工程质量，必须进行温度控制，采取合理的温度控制措施。温度控制的标准和温控措施的制订则应依据温控计算与温控设计。同时，为检验温控标准和温控效果并便于调整温控措施，还需进行温控监测，作出温控监测设计。2 计算依据与参数 混凝土浇筑后的温度与水泥的水化热温升、混凝土的浇筑温度和浇筑进度、外界气温、表面保护等多种因素有关。温度计算结果的准确性除了选择恰当的计算方法以外，还有赖于与上述因素有关的基本条件和材质参数的正确选取。以下温度计算中用到的水泥水化热，混凝土配合比、强度、弹性模量及气温由XXX公路工程局XX长江大桥Y标项目总经理部提供，其余参数参考有关工程资料并根据笔者经验选取。2.1 混凝土性能 2.1.1 混凝土材料的配合组成 承台大体积混凝土的设计强度等级为C35，胶凝材料选用华新南通水泥厂的堡垒牌P.O 42.5水泥，南通华能粉煤灰开发公司的级粉煤灰；石料为湖北武穴产525mm连续级配石灰岩碎石；砂子为赣江区中砂；外加剂为南京水科院生产的NAF2型高效泵送剂，每方混凝土的材料用量如表1所示。表1 承台混凝土每方材料用量表材料名称水泥粉煤灰砂碎石水外加剂合计材料用量（kg）288.0154.0715.01041.0169.011.052378.05相对用量（%）12.116.4830.0743.787.110.46100.002.1.2 混凝土弹性模量C35混凝土5天和8天的弹性模量分别为1.9104MPa和2.3104MPa，根据该试验结果，不同龄期的弹性模量E按(1)式计算： (t3) (1)混凝土弹性模量随龄期增长的曲线如图1所示。 图1 弹性模量变化线 2.1.3 混凝土抗压强度 混凝土3天、7天和28天的抗压强度分别为：R3=21.0 MPa， R7=34.5 MPa，R28=49.6 MPa，2.1.4 混凝土绝热温升 混凝土的绝热温升根据水化热计算, 堡垒牌P.O 42.5水泥 3天和7天的水化热分别为264J/g和280J/g，据此可估算混凝土的最终绝热温升，取q0=37.0。凝土不同龄期的绝热温升用（2）式计算：(2) 式中 t龄期（天）；q在龄期t的绝热温升。混凝土的绝热温升曲线如图2所示。图2 混凝土绝热温升曲线2.1.5 混凝土导温系数 混凝土的导温系数a依据上面配合比计算取值： a=0.111m2/d。2.1.6 混凝土的泊松比系数取为0.167，线膨胀系数取为8.010-6（1/）。2.2 温度初始条件与边界条件 在不同的日期浇筑混凝土时，应选取不同的气温和浇筑温度。常熟市前3年（2001年2003年）的月平均气温如表2所示。表2 常熟市月平均气温月 份123456789101112平均气温4.66.810.915.620.124.728.727.324.518.612.16.0承台计划在2005年2月5月浇筑，温度计算时，根据表2取各层的混凝土浇筑温度以及对应的气温和长江水温表如3所示。表3 混凝土浇筑温度及边界温表层 次123456备 注气 温6.09.012.015.018.020.0水 温8.08.511.014.017.520.0浇筑温度12.014.017.019.522.024.02.3主要降温措施 温度计算时混凝土均设置冷却水管，冷却水管的层间间距和水平间距均为1m左右。3 温度和应力计算3.1计算方法计算温度时，由于主墩承台的厚度与平面尺寸相比都较小，可简化为一维问题计算，考虑到封底混凝土和下部结构的影响以及应力计算的方便，仍采用三维有限元法计算，将温度场和应力场纳入一个统一的网格和程序计算。计算方法参照文献1。（3）计算应力时，考虑到混凝土弹性模量随时间而变化，E是时间的函数，不能取某一常值来计算。将时间分为很多个时段，而取每个时段中点的弹性模量值为该时段的弹性模量，分别计算出各个时段的应力增量后再迭加，第n个时段末的应力按（3）式计算。式中 i第i时段的应力增量。混凝土具有徐变效应，即应力会随时间而松弛。徐变应力是考虑到混凝土的徐变效应时的应力，也就是混凝土中实际存在的应力，一般用（4）式中的松驰法计算：（4）式中 t时刻的徐变应力； 第i时段的弹性应力增量； 松驰系数，表示从ti时刻加荷，持续到时间t的应力松驰系数。松驰系数应由徐变试验结果得出，由于该工程未作徐变试验，在计算徐变应力时按（5）式计算2。 (5)式中 t时刻的弹性应力； 表示应力松驰总效应的系数，参照文献2取值。3.2 计算工况 计算温度和应力时均考虑下部3m封底混凝土的影响，封底混凝土的设计强度等级为C30（水下混凝土）。在系梁中部设后浇段，后浇段宽度为2 m。各层之间的浇筑间歇期为7天。分层按以下两种工况计算：（1） 承台按1.7+1.6+1.7+2.0+3.0+3.324 m分6层浇筑。（2） 承台按1.7+1.6+1.7+2.0+2.5+3.824 m分6层浇筑。4 计算结果4.1 温度特征值表4列出了承台两种计算工况中各层的温度特征值。两种计算工况中的温度特征值前4层相同，仅5、6层不同。由表可知，两种计算工况中，温度特征值相差不大，主要差别是：第一种工况中，第5层的各温度特征值较大；第二种工况中，第6层的各温度特征值较大。这合乎浇筑层愈厚、温度和温差也愈大的理论。表4中的温差结果说明，各层中的最高温升为32.99，内外温差在19到25之间。上下层温差都较小，最大为12.43，这是因为控制了各层之间的浇筑间歇期为7天，充分利用了下层混凝土的余温。表4温度特征值层次特征项目最高温度最高平均温度最高温升上下层温差最大内外温差与工况()()()()()1特征值40.8637.2628.8619.86龄期(天)2.52.52.52.52特征值44.0841.4230.0812.4321.27龄期(天)2.02.52.02.53特征值48.2445.1331.248.1521.71龄期(天)2.52.52.52.54特征值51.1547.6531.206.4121.71龄期(天)2.52.52.53.05特征值54.1950.0132.197.2023.42龄期(天)2.52.52.53.06特征值56.9752.8632.977.1224.86龄期(天)3.02.53.03.0-5特征值54.6350.6332.637.9424.37龄期(天)3.02.53.03.0-6特征值56.6552.6732.655.1424.42龄期(天)3.02.53.03.0注：-5表第一种工况的第5层，-6表第一种工况的第6层，其余为第二种工况。4.2 应力特征值表5 列出了两种计算工况中各层表面和内部的最大拉应力。两种计算工况中前4层的应力基本相同，仅5、6层不同。由表可知，两种工况中，第5层的表面和内部的最大拉应力相差不大，第6层的表面和内部的最大拉应力都是第一种工况大，其中，内部最大拉应力大了21%。说明第二种工况对于减小温度应力、防止温度裂缝有更好的效果。表5中的应力特征值说明，内部的最大拉应力出现在第1层和第6层，表面的最大拉应力出现在第6层。表5 温度应力特征值工 况特征项目最大拉应力max(MPa)备注表面内部1特征值1.002.16 龄期(天)7.0 100.02特征值1.02 1.72 龄期(天)7.070.03特征值0.97 1.22 龄期(天)7.0 9.04特征值1.431.27 龄期(天)7.0 10.05特征值1.09 1.80 龄期(天)7.08.26特征值1.832.34 龄期(天)16.0 22.0-5特征值1.16 1.36 龄期(天)7.010.0 -6特征值2.052.83龄期(天)14.0 19.0 注：-5表第一种工况的第5层，-6表第一种工况的第6层，其余为第二种工况。4.3 应力变化曲线为进一步说明温度应力的变化趋势，并显示混凝土的抗裂安全度,将第二种工况中应力较大层的最大温度应力点的应力变化曲线和混凝土的抗拉强度曲线示于图3。图中，1表为第1层的表面应力，1内为第1层的内部应力，余类推。Rl为混凝土的抗拉强度曲线。由图看出，内部点在3天以前为压应力，以后变为拉应力，当上层混凝土浇筑后拉应力很快增长，一般1020天达到最大值，此后，拉应力逐渐减小，有的逐渐变为压应力。但是，第1层的内部应力1内例外，15天后，应力逐渐增大，45天后趋于一常值（2.2MPa）。表面点初期都为拉应力，一般在7天达最大值，当上层混凝土浇筑后拉应力急剧下降，并变为压应力。第6层的表面应力6表例外，16天才达最大值，此后拉应力逐渐减小，50天后才变为压应力。由此说明，缩短浇筑间歇期也可减小表面拉应力。如果不控制间歇期，15层的表面拉应力也会随着间歇期的增加而增大。与混凝土的抗拉强度曲线比较，可知各层的表面拉应力4天前与混凝土的抗拉强度接近，是产生表面裂缝的危险期，如果在此期间恰逢寒潮，则有可能产生表面裂缝，10天前后第1和第5层的内部拉应力也与混凝土的抗拉强度较为接近。所以，应充分重视早期的表面保温与养护。其余龄期混凝土的拉应力都较混凝土的抗拉强度小许多。图3 内部和表面最大应力点的应力变化曲线4.4 结论两种工况的拉应力均小于混凝土相应龄期的抗拉强度，不至产生有害裂缝。但应注意12天前的表面保温，以防止表面裂缝。相比之下，第二种工况的最大拉应力较第一种工况小，更有利于减小温度应力、防止温度裂缝。温差结果表明，内表温差均小于25。上下层温差较小，最大的仅12.43，不必专门控制，只要控制了各层之间的浇筑间歇期即可。5 温度控制标准 根据上述温度与应力计算结果，提出以下温控标准：(1) 混凝土的内表温差：应25；(2) 混凝土的浇筑温度应小于T+4(T为浇筑期旬平均气温)，混凝土最高温升不超过34。6 温度控制措施根据上面的应力计算结果与分析，再根据工地现场的实际情况，制订以下温控措施：6.1 在满足混凝土设计强度的前提下，尽量优化配合比，减少水泥用量，确保水化热绝热温升不超过第5节中的规定的温控标准。6.2 尽可能应选用低热水泥，掺用30%以上的粉煤灰，采用缓解水化热效果好的外加剂，降低砼的水化热温升。6.3 改善骨料级配 在现场条件许可和保证质量的前提下，可选择较大粒径的骨料。例如，可选用粒径为510cm的骨料。6.4 调整施工时间 应尽量选择气温较低的日子施工（寒冷季节施工时，应保证浇筑温度在5以上），同时安排每一浇筑层的中下部混凝土在夜间浇筑。6.5 降低入仓温度，使混凝土的浇筑温度小于浇筑期的旬平均气温+4。（1）水泥提前6天入罐，让其自然冷却，确保拌和前的水泥温度不高于50。 （2）当气温较高时,采用搭凉棚，堆高骨料、底层取料和用凉水喷淋骨料等方法降低骨料温度。（3）当气温较高时，用地下水、冰块拌合混凝土。（4）加快运输和入仓速度，减少混凝土在运输和浇筑过程中的温度回升。当白天气温较高时，在混凝土输送管上覆盖保温布，并洒水降温，夜间必须再揭开保温布散热。6.6 采用冷却水管（1）冷却水管的水平间距和上下层间距以小于或等于1.1m为宜，水管布置方案参照图 4。该方案按工况2的分层方案设计, 若分层方案改变，水管布置也应作相应调整。（2）单根水管长度以小于300m为宜。（3）水管内通水流量为1620 L/min。冷却水的进水口水温以10C20C为宜。（4）冷却通水从水管被混凝土覆盖后开始，覆盖一层通水冷却一层，至57天结束，具体结束时间视混凝土温升、温降情况而定。（5）冷却水管应采用导热性能好的金属管，管内径宜大于30mm，水管安装应保证质量，安装后应通水检查，防止管道漏水或阻塞。6.7 合理分层、分块浇筑，应在系梁中间设置后浇段，将承台分为两块，后浇段的宽度以便于施工和控制质量为原则。每块分6层浇筑， 各层的厚度为1.7m、1.6m、1.7 m、2.0m、2.5m、3.824m。 6.8 分层浇筑时，应控制混凝土层间的浇筑间歇期，间歇期以小于68天为宜。6.9 表面保温与养护 混凝土浇注完毕待初凝后立即在上表面蓄水养护，蓄水深度应不小于30cm，表面蓄水宜用从冷却水管流出的温水，这样可减小内表温差。侧面有模板的，应在模板外加保温材料（如泡沫塑料）保温，拆模时间应在4天龄期之后，若遇温度骤降，还应在拆模后加挂保温材料。混凝土侧面应加强养护，使其始终保持湿润状态。6.10 保证施工质量，提高砼的均匀性和抗裂性。6.11 为检验施工质量和温控效果，及时掌握温控信息，以便及时调整和改进温控措施，应进行温度控制监测。大体积混凝土的温度应力和防裂问题是一个十分复杂的问题，外界温度和湿度、施工条件、温控程序、原材料变化等都会引起温度应力的变化，只有通过温控监测，才能更准确地了解结构的质量与抗裂安全状况。 图4 冷却水管布置图 （注：图中尺寸以厘米为单位）3825002001202160133280立 面分层面2143567100130510082250891071148101960进水口491027705135/248102810363573005135/2出水口68.5进水口进水口进水口进水口出水口出水口出水口出水口出水口14层冷却水管布置41021130452.5039100804进水口5392381746出水口出水口出水口出水口进水口进水口74680421255452946403065657070第6层冷却水管布置进水口出水口86631006050670701859第11层冷却水管布置8027102(nl)2878(b)62(m)62(m)296380第8层冷却水管布置进水口进水口进水口进水口出水口出水口出水口出水口3123(a)说明：1 第5、7层和第9、10层冷却水管的布置可参照第8层冷却水管布置图，但应注意3点：（1） 水管间距应小于110cm；（2）水管与模板的间距为6080cm；（3） 水管进出口之间的长度应小于300m。 2 第8层冷却水管布置图括号中的字母代表相应的尺寸或参数，第5、7、9、10层冷却水管布置的参数见下表。第5、7、9、10层冷却水管布置参数表层数abnlm54360477947997373498345433100779274823012110459102374172515105757 温控监测为检查块体温度是否满足温控标准，温度控制措施是否有效，并便于及时掌握温控信息，调整和改进温控措施，就必须进行温控监测。7.1 温控监测内容 （1）温度监测，在混凝土中埋入一定数量的测温仪器，测量混凝土不同部位温度变化过程，检验不同时期的温度特性和温差标准。当温控措施效果不佳，达不到温控标准时，可及时采取补救措施；当混凝土温度远低于温控标准时，则可减少温控措施，避免浪费。（2） 应变监测，应变监测即在混凝土内埋入应变计和无应力计，测量混凝土的应变，通过混凝土的应变测值可进一步计算温度应力和收缩应力。掌握了应力就能直接判断混凝土应力状态和抗裂能力，预料产生裂缝的可能性，以便及时采取适当的防护措施。7.2监测设计(1) 仪器的选择 仪器选择依据实用、可靠和经济