天津路大桥承台大体积混凝土温控设计与仿真分析

天津路大桥承台大体积混凝土温控设计与仿真分析 董立功 胡茂刚 江苏省交通工程集团有限公司 镇江 212001 摘要摘要 天津路大运河桥主墩承台施工利用有限元分析程序 MIDAS Civil 6 71 进行温控设计和仿真分析 指导施 工控制 确保了大体积混凝土施工的成功 关键词关键词 大体积混凝土 温控设计 仿真分析 一 基本资料 天津路大运河桥主墩承台尺寸为 31 12 2 3 5m 体积 1323 7m3 混凝土为 C25 承台封底为 50cm 厚 C20 混凝土 承台混凝 土强度等级为 C25 试配强度 fcu 25 1 645 33 23MPa 混凝土试配优化后 选用的配合比为 水 水泥 碎石 黄砂 粉煤 灰 外加剂 183 269 709 1200 76 5 865 水泥为海螺牌 P 0 42 5 普通硅酸盐水泥 粉煤灰为 华能电厂所产 级 缓凝型减水剂为江苏建 筑科学研究院产 水泥水化热 3d 316J KG 7d 366 J KG 水化热数据由海螺 集团直接提供 气象资料 近日 2007 年 11 月 13 日 11 月 19 日 清晨气温在 12 左右 中午最高气温在 16 左右 24 小时温度变化按拟合正弦曲线输入 拟用于冷却的运河水温在 15 左右 水下 60cm 处 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 通 常讲的水化热分析应当包括热传导分析和热应力 分析两个过程 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 本桥承台大体积混凝土内部温度场 应力场 计算以及承台内部的水化热仿真分析 均由 MIDAS Civil 6 71 中文版完成 MIDAS Civil 6 71 中文版为有限元分析程序 内含水化热分析包 同时程序内嵌 JTG 04 RC 即 公路钢筋混凝土及 预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 2004 中的 钢筋混凝土部分 RC 根据对承台内部混凝土 水化热的仿真分析结果 优化选用相关参数作为 承台温度控制的依据 采取相应的温控措施以避 免承台温度裂缝的产生 MIDAS Civil 6 71 中文版用于水化热分析时所 需要的参数由两个部分 一部分是外部参数 必 须根据外部条件进行输入 另一部分为内部参数 可以选择由程序内嵌的相关规范标准自动引用 也可以根据实际情况选择自行计算输入 二 程序用到的相关参数 材料和热特性参数 位 置 特 性 基 础封底 比热 KJ kg K 0 960 92 容重 KN m3 24 424 热传导率 导热系数 W M K 3 23 14 外表面 12 对流系数 KJ m2 h 0C 模板 12 外界温度 12 浇注温度 12 28 天抗压强度 25 强度发展系数 ACI a 4 5 b 0 95 28 天弹性模量 MPa 2 8 1042 55 104 热膨胀系数 1 0 10 51 0 10 5 每立方米混凝土水泥用量 KN m3 2 64 热源函数系数 K 42 a 0 759 表中 1 容重取配合比实际容重 外界温度为 几天实测平均值 每立方米混凝土水泥用量 为配合比数据换算所得 强度发展系数为程 序参照美国混凝土协会标准 ACI 提供的参 考值 对流系数为程序提供的参考值 其它 数据均为相关规范或手册提供的参考值 2 表中单位均为程序规定的单位 3 热源函数系数中的 K 为混凝土的最大 绝热温升 其计算如下 K mtc e C Qm 1 718 2 1 244296 0 366269 42 a 为程序设定的导温系数 与水泥的 品种有关 程序推荐取 a 0 759 三 施工拟定的条件 混凝土浇筑日期 承台混凝土施工时拟一次浇筑 13 承台混凝 土 11 月底浇注结束 冷却水管布置 承台混凝土冷却水管采用 42 3mm 的薄壁钢 管 壁厚 2 0mm 公称直径 内径 为 DN 32mm 冷却水为河水 冷却水管布置两层 距承台上下面各为 1 0m 两层水管间距 1 5m 水 管水平间距为 1 0m 距外边缘各 1m 冷却水流量 按照冷却水管的公 称直径 管内水取其 经济流速 V 0 6m s 则 冷却水的对流系数按 下式计算 Hp 4 75V 43 328 W m K 混凝土浇筑速度 根据设备搅拌以及浇注工艺 混凝土浇筑速 度按 60m3 h 考虑 承台保温 混凝土顶面待终凝后覆盖草袋和塑料薄膜进 行保温养护 考虑测温方便 顶面不宜覆盖大块 油布 混凝土侧面模板外吊挂油布进行保温 四 水化热分析的建模与分析过程流程图 见图一所示 五 建立模型 承台设计尺寸为 31 12 2 3 5m 为便 于建模后进行的单元划分 建模尺寸拟定为 32 13 3 5m 封底平面尺寸按各边大于承台 1m 计 由于模型具有对称性 所以建模时按实 体的 1 4 进行建模和分析 这样可以提高建模速度 缩短分析时间 同时也便于查看温度分布和应力 分布变化 六 参数的输入与运行结果分析 按照上面分析流程的步骤 输入前面所 确定的各项参数 运行程序进行计算与分析 所 定义一般材料特性 定义时间依存特性 建立结构模型 水化热分析控制 zzhi 制 定义环境温度函数对流 系数函数单元对流边界 定义固定温度 定义热源函数分配热源 管冷设置 定义施工阶段 运行分析 查看分析结果 图一图一 得到承台内部 x x 和 y y 中心剖面 即画面上看到 的模型的 x x 面和 y y 面 的温度变化和应力变化 等值线 温度 1 浇注结束 2 小时后的等值线 2 浇注结束 24 小时的等值线 3 48 小时的等值线 4 92 小时的温度等值线 由上述 4 个时点的温度等值线可以看出 承台混凝土中心温度高于中心周围其它部位的温 度 但由于上下布置了两层冷却管 温度分布相 对合理 而靠近封底的底层混凝土 由于热量的 蓄积作用 温度较高 由图还可以看出 接近承台边缘 50cm 周边范 围的温度与承台顶面 50cm 范围内的温度接近 承 台底面往上 50cm 位置属高温层 再往上 100cm 范围为次高温层 故布置温度传感器时应考虑这 一现象 承台中间部位的温度分布相对均匀 表明建 模模拟管冷荷载的位置以及流量参数是合理的 应力 1 2 小时的应力等值线 剖面位置同温度等 值线 2 24 小时的应力等值线 3 48 小时的应力等值线 4 92 小时的应力等值线 由上面 4 个时点的应力等值线图可以看出 承台底部往上 3 7 处水平剖面以上部位主要分布来 应力 而此剖面以下则主要压应力 温度与应力变化图表 温度 曲线上最大点 44 87 为 240 号节点 时点为 240 小时 此点在模型图上为封底混凝土 底部 次高点发生在 320 号节点 此点在模型图 上位于模型的长边靠近承台底部的位置 距 承台中心 x 方向 8m y 方向 50cm 处 图示点 位置 约在浇注 360 小时后 温度逐渐趋于平缓 2 应力图表 由应力曲线可看处 约在 120 小时后 承台内部应力逐渐趋于下降 而最高应力曲线 结合模型查找节点位置 均在封底混凝土或封底 混凝土表面 这表明由于热量蓄积作用封底内部 温度较高 而承台内部由于冷却管的作用温度明 显下降 造成了二者之间的温差加大 使得封底 混凝土表面产生较大的拉应力 七 温度控制标准 根据模拟分析结果 在施工期内为保证承台 不出现有害温度裂缝 采取如下标准进行控制 混凝土浇筑温度 指混凝土浇筑后 在第 二层混凝土覆盖前 距混凝土表面 5cm 处的温度 结合本桥施工工艺 应控制混凝土浇筑温度 不超过 16 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 温度与接近承台顶面的温度 但不是气温 之差 按照 混凝土结构工程施工及验收规范 GB50204 2002 的规定 大体积混凝土表面和内 部温差控制在设计要求的范围内 当设计无具体 要求时 温差不宜超过 25 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 50 混凝土最大绝热温升按照实际计算值不大 于 42 八 温控措施 1 优化混凝土配合比 降低水泥水化热温升 试配时选择级配良好的砂 石料 减少水泥 用量 同时掺假粉煤灰进一步降低水泥用量 降 低水泥用量是减少水化热的一个主要途径之一 2 混凝土拌合物 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 3h 按工艺确定 混凝土出机温度的控制 在混凝土开盘之前 量测水泥 砂 石 水 的温度 专门记录 计算其出料温度 如外界气 温低于 0 时 应按混凝土冬季施工要求进行施工 控制混凝土浇筑间歇期 混凝土浇筑应做到连续施工 各作业班组均 准备二组人作业 3 冷却水管使用要求 冷却水管按照施工方案要求的管径及位置 进行安装 考虑管道弯头较多 管道内冷却水的 水头损失较大 为保证冷却水的流速 每层冷却 管设置各 3 个进水口和出水口 冷却水管使用及其控制 a 冷却水管使用前应进行压水试验 防止管 道漏水 阻水 b 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 10 15 天 具体时间可根据 检测结果确定 出水口流速应大于 60cm s 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应超过 30 温度经过最高点开始下降后 必须控制降 温速度 降温速度应 2 d 速度控制通过调节冷 却水的流量实现 4 养护 混凝土终凝后应在表面洒水养护 同时覆盖 草袋或土工布保温 考虑最近节气变化 模板周 围应吊挂油布保温 如果内外温差超过温控标准 则增加覆盖草袋和土工布的层数 直至采用碘钨 灯照射以增加混凝土表面的温度 若模板高度高 出承台较多 可考虑在承台顶面蓄积水进行保温 5 混凝土现场温度监控 温度测试内容 根据温度分析结果 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 在 承台混凝土中布设温度测点 测点沿承台的 1 4 部位水平布置 平面共 14 个测点位置 42 只传感 器 测点布置示意图见下图 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 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 测 试共安排 2 组人 每组 2 个 一个观测 一个记 录 确保不温度测试记录的完整可靠 记录数据 可作为优化 12 主墩承台温控设计的依据 监测所用仪器 温度传感器为 PN 结温度传感器 温度检测 仪采用单点检测控制仪 温度传感器的主要技术 性能 测温范围 10 150 工作误差 1 分辨率 1 九 效果与结论 承台浇注完成后 按照温控设计所确定的参