02-承台大体积砼水化热分析计算书.doc

1 目目 录录 1 计算依据 1 2 工程概况 1 3 承台混凝土施工 1 4 承台温控分析 1 4 1 冷却水管设计 2 4 2 监测点布设 3 4 3 仿真分析 5 4 3 1 仿真建模与分析过程 6 4 3 2 模型基本数据 6 4 4 仿真分析结果 8 4 4 1 冷却管水温情况 8 4 4 2 承台温度情况 11 4 4 3 承台应力情况 12 4 4 4 监控点时程图 17 0 济南黄河公铁两用桥 承台大体积砼水化热分析计算书承台大体积砼水化热分析计算书 1 计算依据计算依据 1 1 济南黄河公铁两用桥设计图 1 2 建筑施工计算手册 1 3 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定 2005 175 1 4 铁路工程结构混凝土强度检测规程 TB10426 2004 1 5 MIDAS 软件 2012 版 2 工程概况工程概况 济南黄河公铁两用桥施工起讫里程为 DK41 910 6 DK423 703 03 全长 1792 42m 主墩最大承台为 50 45 24 2 纵桥向 6m 下层厚 的整体式钢筋混凝土结构 承台混凝土采用 C40 混凝土 总方量 7325 34m3 3 3 承台混凝土施工承台混凝土施工 在南大堤南侧设 2 台 HZS180 型混凝土拌和站 盘容量 3 0m3 每盘料的搅拌时间是 120s 一个站正常情况下生产 20 盘 共 60 m3 混凝土 每个拌合站混凝土的每小时的 生产量可达 60 m3 根据大体积温控设计 承台混凝土方量以及粗细集料的储存能力 将承台分 2 层进 行浇筑 第 1 次浇筑高度 3m 混凝土方量 3662 67m3 浇注速度为 120m3 h 左右 浇注 时间约 31h 第 2 次浇筑高度 3m 混凝土方量 3662 67m3 浇注速度为 120m3 h 左右 浇 注时间约 31h 4 承台温控分析承台温控分析 采用大型有限元 MIDAS 软件来计算该承台施工期内部温度场及仿真应力场 并根据 计算结果制定不出现有害温度裂缝的温控标准和相应的温控措施 该软件能够模拟混凝 土的浇注 成长过程 能考虑到分层分块浇筑 分层厚度 浇筑温度 施工间歇期 混 凝土水化热的散发规律 养护方式 冷却水管降温 外界气温变化 混凝土及基岩弹模 1 变化 混凝土徐变等复杂因素 4 1 冷却水管设计冷却水管设计 根据混凝土内部温度分布特征及控制最高温度的目标 承台埋设四层冷却水管 水 管水平间距 1m 第一层冷却水管距承台顶 1m 第二层距第一层 1 5m 第三层距第二层 1m 第四层距第三层 1 5m 冷却水管内径 42mm 冷却水管可采用丝扣连接或橡胶管套接 确保不漏水 采用橡胶管套接时 两根冷却水管在橡胶套管内应对碰 避免橡胶管弯折 阻水 用多重铁丝扎紧 单根冷却水管长度不超过 200m 5045 50494550 705023 1 2420 水泵 出水管 100 进水管 100 图 4 1 1 承台第 1 3 层冷却水管平面布置示意图 2 23205050 49 1 50 50 45 出水管 100 水泵 进水管 100 图 4 1 2 承台第 2 4 层冷却水管平面布置示意图 100进水管 232050 50 出水管 出水管 5045 300300 100 150 100150100 砼浇筑分界线 100进水管 图 4 1 3 承台横桥向冷却水管立面布置示意图 出水管 出水管 2420 300300 100150100150100 100 100进水管 图 4 1 4 承台纵桥向冷却水管立面布置示意图 4 2 监测监测点布设点布设 1 监测仪器及元件 温度检测仪采用 JGY 100 型智能化数字多回路温度巡检仪 温度传感器为 PN 结温度 3 传感器 JGY 100 型智能化温度巡检仪可自动 手动巡回检测 128 点温度 并具有数据记录和 数据掉电保护 历史记录查询 实时显示和数据报表处理等功能 该仪器测量结果可直 接用计算机采集 人机界面友好 并且测温反应灵敏 迅速 测量准确 2 监测元件的布置 测点的布置按照重点突出 兼顾全局的原则 根据结构的对称性和温度变化的一般 规律 在承台沿桥中心线对称的一侧布设测点 温度传感器在每层混凝土接近中心线上 布置 该区域能够代表整个混凝土断面的最高温度分布 在平面内 由于靠近表面区域 温度梯度较大 因此测点布置较密 而中心区域混凝土温度梯度较小 因此测点布置减 少 承台混凝土中布设 2 层测点 共 20 个 2420 400400400400400400122 400400 400 5045 图 4 2 1 承台测温点平面布置示意图 2420 600 150300150 图 4 2 2 承台测温点立面布置示意图 4 3 仿真分析仿真分析 对于桥梁承台大体积混凝土需要考虑水化热引起的温度应力 温度应力引起的裂缝 4 具有裂缝宽 上下贯通等特点 因此对结构的承载力 防水性能 耐久性等都会产生 很大影响 大体积混凝土的温度应力是由于浇注混凝土后 水泥的水化反应 放热反应 导致 的混凝土体积的膨胀或收缩 在受到内部或外部的约束时而产生的 混凝土水化热引起 的应力可以分为内部约束应力和外部约束应力两大类 内部约束应力是指由于混凝土内 部不同的温度分布引起的不同的体积变化而导致的应力 即 水化反应初期由于中心部 分温度比表面温度高 会导致表面产生拉应力 而温度开始下降时中心部分的收缩会比 表面部多 此时中心部会产生拉应力 内部约束应力的大小与内外温差成比例 外部约束应力是指新浇筑的混凝土 由于水化热而发生的体积变化 受到与其接触 的已浇筑混凝土或者地基等的约束而产生的应力 外部约束的作用与接触面积的大小和 外部约束的刚度等因素相关 水化热分析包括热传导分析 Heat Transfer Analysis 和热应力分析 Thermal Stress Analysis 两个过程 热传导分析是通过考虑水泥水化反应时产生的热量 对流 传导等 因素计算随时间变化的各节点的温度的过程 热应力分析是利用计算得到的各节点的不 同时间的温度 考虑随时间和温度变化的材料特性 干缩 随时间和应力变化的徐变等 来计算大体积混凝土各施工阶段的应力的过程 4 3 1 仿真建模与分析过程仿真建模与分析过程 5 4 3 2 模型基本数据模型基本数据 4 3 2 14 3 2 1 模型建立模型建立 MIDAS模型中分别将承台混凝土和地基模拟成具有一定比热和热传导率的结构 对 于浇筑混凝土后的336个小时进行了水化热分析 其中管冷作用于336个小时 承台及地 基整体模型如下 图 承台及地基整体模型 由于模型具有对称性 所以这里只取1 4模型进行建模和分析 这样不仅可以提高建 6 模速度 缩短分析时间 而且也便于查看内部温度分布以及应力发生状况 1 4承台及地 基整体模型如下 图 1 4 承台及地基整体模型 4 3 2 34 3 2 3 施工阶段及步骤施工阶段及步骤 下层承台施工为第一阶段 上层承台施工为第二阶段 第一阶段分为15个步骤 第一个步骤0 10小时 第二个步骤10 24小时 第三个步 骤24 48小时 以24小时为一步骤 直至第十五个步骤312 336小时 第二阶段同样分为15个步骤 第一个步骤336 346小时 第二个步骤346 370小时 同样以24小时为一步骤 直至第十五个步骤648 672 小时 4 3 2 34 3 2 3 材料和热特性数据材料和热特性数据 特性基础地基 比热 kcal kg 0 250 2 容重 KN m 2518 热传导率 kcal m hr 2 31 7 外表面 1212 对流系数 kcal m2 hr 钢模板 15 外界温度 15 浇筑温度 15 28 天抗压强度 Mpa 40 0 强度发展系数 ACI a 4 5 b 0 95 28 天弹性模量 KN m 3 25 10 71 0 106 热膨胀系数 1 0 10 51 0 10 5 泊松比 0 180 2 7 每立方米水泥量 kg m 350 热源函数系数 K 41 a 0 759 4 4 仿真分析结果仿真分析结果 4 4 14 4 1 冷却管水温情况冷却管水温情况 每层选取一个具有代表性的冷却管作为代表 分别取1 3处 2 3处 出口处进行观 察 进口处水温15 4 4 1 14 4 1 1 第一层第一层冷却管冷却管 此层三个代表点的节点号为 1 3 处 36601 2 3 处 36756 出口处 36907 节点号 步骤阶段 时间 h 366013675636907 1CS11026 4 26 3 20 5 2CS12436 2 35 5 25 4 3CS14843 1 40 2 28 3 4CS17243 1 38 3 28 1 5CS19640 8 34 6 26 6 6CS112037 7 30 9 25 2 7CS114434 7 27 8 23 9 8CS116832 0 25 3 22 6 9CS119229 7 23 4 21 6 10CS121627 7 21 8 20 7 11CS124026 0 20 6 19 9 12CS126424 5 19 7 19 3 13CS128823 3 18 9 18 7 14CS131222 3 18 3 18 3 15CS133621 4 17 8 17 9 通过结果表格 选择管冷作用时期的所有步骤 可以查看冷却水的温度变化 如表 格所示 管冷1 3位置处节点36601温度在步骤4 即第一层混凝土浇筑后72h 时温度已经 上升到了43 1 4 4 1 24 4 1 2 第二层第二层冷却管冷却管 此层三个代表点的节点号为 1 3 处 51165 2 3 处 53407 出口处 53410 8 节点号 步骤阶段 时间 h 51165 5340753410 1CS110 0 26 2 26 2 20 4 2CS124 0 34 5 35 0 23 4 3CS148 0 37 0 38 7 22 8 4CS172 0 33 3 36 2 21 0 5CS196 0 29 0 32 6 19 8 6CS1120 0 25 4 29 3 18 8 7CS1144 0 22 7 26 6 18 1 8CS1168 0 20 7 24 4 17 5 9CS1192 0 19 3 22 7 17 1 10CS1216 0 18 3 21 4 16 7 11CS1240 0 17 6 20 3 16 4 12CS1264 0 17 0 19 4 16 2 13CS1288 0 16 6 18 7 16 0 14CS1312 0 16 3 18 1 15 8 15CS1336 0 16 0 17 6 15 7 通过结果表格 选择管冷作用时期的所有步骤 可以查看冷却水的温度变化 如表 格所示 管冷2 3位置处节点53407温度在步骤3时 即第一层混凝土浇筑后48h 温度已经 上升到了38 7 4 4 1 34 4 1 3 第三层第三层冷却管冷却管 此层三个代表点的节点号为 1 3 处 62509 2 3 处 62664 出口处 62917 节点号 步骤阶段 时间 h 62509 62664 62917 1CS210 0 26 2 26 1 26 2 2CS224 0 35 3 34 6 35 3 3CS248 0 40 6 37 6 40 5 4CS272 0 39 8 34 8 39 6 5CS296 0 37 2 30 9 37 0 6CS2120 0 34 3 27 5 34 0 7CS2144 0 31 6 24 8 31 3 8CS2168 0 29 3 22 7 29 0 9CS2192 0 27 3 21 2 27 0 10CS2216 0 25 6 20 0 25 3 11CS2240 0 24 2 19 1 23 9 12CS2264 0 23 0 18 4 22 8 9 13CS2288 0 22 0 17 8 21 8 14CS2312 0 21 1 17 4 21 0 15CS2336 0 20 4 17 0 20 3 通过结果表格 选择管冷作用时期的所有步骤 可以查看冷却水的温度变化 如表 格所示 管冷1 3位置处节点62509温度在步骤3时 即第二层承台浇筑后48h 温度已经上 升到了40 6 4 4 1 44 4 1 4 第四层第四层冷却管冷却管 此层三个代表点的节点号为 1 3处76773 2 3处78811 出口处78815 节点号 步骤阶段 时间 h 76773 78811 78815 1CS210 0 26 3 26 3 26 4 2CS224 0 36 0 35 9 36 1 3CS248 0 42 1 42 0 42 5 4CS272 0 41 0 41 4 42 0 5CS296 0 37 3 38 3 38 9 6CS2120 0 33 2 34 6 35 3 7CS2144 0 29 5 31 2 31 8 8CS2168 0 26 4 28 3 28 8 9CS2192 0 23 9 25 8 26 3 10CS2216 0 22 0 23 8 24 2 11CS2240 0 20 5 22 2 22 5 12CS2264 0 19 3 21 0 21 2 13CS2288 0 18 4 19 9 20 1 14CS2312 0 17 7 19 1 19 2 15CS2336 0 17 2 18 4 18 5 通过结果表格 选择管冷作用时期的所有步骤 可以查看冷却水的温度变化 如表 格所示 管冷出口部节点78815温度在步骤3时 即第二层混凝土浇筑后48h 温度已经上 升到了42 5 4 4 24 4 2 承台温度情况承台温度情况 4 4 2 14 4 2 1 下下承台温度情况承台温度情况 通过对各阶段的比对 步骤4时 即第一层混凝土浇筑后72h 最高温度最大 步骤 4温度情况如下图 10 通过对结果分析 下承台在步骤4时内外温差最大 内外温差最大为31 3 4 4 2 24 4 2 2 上上承台温度情况承台温度情况 通过对各阶段的比对 步骤4时 即第二层混凝土浇筑后72h 最高温度最大 步骤 4温度情况如下图 通过对结果分析 下承台在步骤4时内外温差最大 内外温差最大为30 1 4 4 34 4 3 承台应力情况承台应力情况 4 4 3 14 4 3 1 下下承台应力情况承台应力情况 1 外表面应力情况 通过对结果分析 下承台在步骤4时sig XX外表面发生最大拉应力0 94Mpa 此时应 力分布图如下 11 在步骤 4 时 sig YY 外表面发生最大拉应力 0 97Mpa 此时应力分布图如下 在步骤 4 时 sig ZZ 外表面发生最大拉应力 0 94Mpa 此时应力分布图如下 2 内部应力情况 钝化承台表面及地基部分 只激活下承台内部部分 通过对结果分析 上承台在步骤 4 时内部 sig XX 发生最大拉应力 0 88Mpa 此时应 力分布图如下 12 在步骤 4 时内部 sig YY 发生最大拉应力 0 69Mpa 此时应力分布图如下 在步骤 4 时内部 sig ZZ 发生最大拉应力 0 88Mpa 此时应力分布图如下 4 4 3 24 4 3 2 上上承台应力情况承台应力情况 1 外表面应力情况 通过对结果分析 上承台在步骤 4 时 即第二层承台浇筑后 72h sig XX 外表面发 13 生最大拉应力 1 27Mpa 此时应力分布图如下 在步骤 4 时 sig YY 外表面发生最大拉应力 1 06Mpa 此时应力分布图如下 在步骤 4 时 sig ZZ 外表面发生最大拉应力 0 9Mpa 此时应力分布图如下 2 内部应力情况 钝化承台表面及下承台部分 只激活上承台内部部分 通过对结果分析 上承台在步骤 15 时 即第二层混凝土浇筑后 336h 内部 sig XX 14 发生最大拉应力 1 23Mpa 此时应力分布图如下 在步骤 15 时内部 sig YY 发生最大拉应力 0 92Mpa 此时应力分布图如下 在步骤 4 时内部 sig ZZ 发生最大拉应力 0 89Mpa 此时应力分布图如下 4 4 44 4 4 监控点时程图监控点时程图 15 水化热分析以时程图形的方式提供各部分 节点 的应力 容许应力 温度 应力 比等结果 成果书分别选取了上下承台表面点 3 个点和内部 1 个节点共 8 个点查看分析 结果 4 4 4 14 4 4 1 监控点的选取监控点的选取 下承台选取 3121 52411 57385 42085 四点 位置如图所示 3121 位于第一层冷 却管处 52411 位于第二层冷却管处 57385 处于下承台顶面 42085 处于下承台内部 上承台选取 4140 77809 87985 72685 四点 位置如图所示 4140 位于第三层冷 却管处 77809 位于第五层冷却管处 87985 处于上承台顶面 72685 处于