苏通大桥主桥基础施工C1合同段承台大体积砼温控设计

1、苏通大桥主桥基础施工C1合同段 承台大体积砼温控设计 承台大体积砼温控设计1.概述大体积混凝土由于水泥水化过程中产生的热量不易散发，浇筑后初期，混凝土内部温度急剧上升引起混凝土膨胀，此时混凝土弹性模量很小，在升温过程中由于基础或下部老混凝土的约束使混凝土膨胀变形产生的压应力很小。随着混凝土温度逐渐降低，同时混凝土弹模逐渐增长，混凝土发生收缩变形时又受到基础或下部老混凝土的约束，此时收缩变形会产生相当大的拉应力。当拉应力超过混凝土抗拉强度时就会产生温度裂缝。此外，当混凝土内部温度较高时，如果外部环境温度较低或外部气温骤降，因内外温差过大或温度梯度较大则易在混凝土表面形成表面浅层裂缝。苏通长江大桥

2、主墩承台、近塔辅助墩承台、远塔辅助墩承台和过渡墩承台均为大体积混凝土，主墩承台混凝土标号为35号，其它承台混凝土标号为30号。主墩承台为哑铃形，每个塔柱下承台平面尺寸为长50.55×48.1m，其厚度由边缘的5m变化到最厚处的13.324m。近塔辅助墩承台平面尺寸为52.0×32.5m，其厚度由边缘的4m变化到最厚处的10.3m。远塔辅助墩和过渡墩承台平面尺寸为45.2×21.0m，其厚度由边缘的4m变化到最厚处的10.3m。承台下部分别为25号封底混凝土和钻孔灌注桩。为保证苏通大桥混凝土施工质量，避免产生温度裂缝，确保大桥的使用寿命和运行安全，我局武汉港湾工程设

3、计研究院对承台大体积混凝土进行了温控方案设计，设计计算采用大型有限元程序进行（计算资料见附件）。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。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预防措施研究”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

4、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。 近年来完成的主要温控项目 表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

5、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2.温控标准2.1混凝土内部允许最高温度混凝土内部最高温度是指混凝土浇筑块内部最高

6、温度的允许值。主墩承台、近塔墩承台、远塔墩承台和过渡墩承台的混凝土内部允许最高温度见表2。混凝土内部最高温度（） 表2部位主墩承台近塔墩承台远塔墩承台过渡墩承台Tmax54555253525352532.2浇筑温度混凝土入仓并经过平仓振捣后，在上层混凝土覆盖前距混凝土表面1015cm处的温度为浇筑温度。控制浇筑温度对降低混凝土内部最高温度具有重要意义。应控制混凝土浇筑温度不大于20。2.3内外温差混凝土块体内部平均温度与表面温度之差为内外温差。为防止混凝土内外温差过大引起表面裂缝，施工中需控制混凝土内外温差小于25。2.4保温标准混凝土表面裂缝多发生在浇筑的初期，而初期的气温骤降是引起表面裂缝

7、的主要外因。当平均气温在23天内连续下降69时，未满28天龄期的混凝土暴露表面可能产生裂缝。因此应采取的保温标准为23天内连续下降69。2.5降温速率控制降温速率可使混凝土内部温度应力得到及时释放，对减少温度裂缝具有重要意义。混凝土降温速率应控制在不大于2d。3.温控措施3.1基本要求施工单位在进行混凝土配合比设计和混凝土施工时，除满足混凝土标号及设计指标外，还应达到混凝土质量评定指标。同时应加强施工管理，优化施工工艺，保证混凝土均匀性，提高抗裂能力。3.2优化混凝土配合比选择优质砂、石料和外加剂，掺加粉煤灰和矿粉等混合材，降低水泥用量，从而降低水化热温升，是大体积混凝土温控的重要措施。3.2

8、.1混凝土原材料优选1）水泥所用水泥的化学成分及水化热指标应满足有关规定，建议选用矿渣水泥施工大体积混凝土，应避免使用早强、水化热较高和C3A含量较高的水泥；水泥中的C3A含量应控制在612之间；水泥中的氯离子含量应低于0.3；水泥含碱量应小于0.6；水泥细度宜控制在36之间，要防止水泥细度过小，早期发热过快，不利于温控。当水泥温度大于60时，不允许进入水泥储料罐。同时应做到先入罐的水泥先用，以保证水泥有足够的降温时间。2）粉煤灰采用组分均匀和各项性能稳定的级及级以上优质粉煤灰，而且粉煤灰的烧失量应不大于8，需水量比应小于100，以降低用水量，其它各项指标应满足规范要求。3）化学外加剂为提高混

9、凝土耐久性和减少用水量，改善混凝土和易性，承台混凝土应掺加适量的高效缓凝减水剂。减水剂的减水率应大于20，同时还应检查外加剂的稳定性。4）骨料工程应用的骨料应没有碱活性并具有较低的热胀系数。粗骨料最大粒径为31.5mm，级配优良，针片状含量<8，压碎指标<8，含泥量<1.0。细骨料为中粗砂，细度模数为2.63.1，属区，含泥量<2.0，其它指标应符合有关规范。3.2.2混凝土配合比优化1）混凝土各项性能指标（抗压强度、弹性模量、抗冻、抗裂）应满足设计技术要求。2）应通过混凝土配合比试验选择最优石子级配、最佳砂率和相容性最好的外加剂，以降低水泥用量。3）建议在水胶比小于0

10、.4时，粉煤灰最大掺量可放宽到50；水胶比小于0.45时，粉煤灰最大掺量可放宽到40，以降低水化热温升。4）如掺加引气剂，混凝土中的含气量应控制在46。5）混凝土拌合物中由各种原材料引入的Cl-总量不应超过胶凝材料总量的0.1。3.3合理分层及间歇期主墩承台为哑铃形，每个塔柱下承台平面尺寸为长50.55×48.1m，其厚度由边缘的5m变化到最厚处的13.324m。根据温控计算结果，单个承台分5层浇筑，浇筑高度分别为2.5m、2.5m、2.5m、3.0m和2.824m。近塔辅助墩承台平面尺寸为52.0×32.5m，其厚度由边缘的4m变化到最厚处的10.3m。根据温控计算结果，

11、承台分4层浇筑，浇筑高度分别为2.0m、2.0m、3.0m和3.3m。远塔辅助墩和过渡墩承台平面尺寸为45.2×21.0m，其厚度由边缘的4m变化到最厚处的10.3m。根据温控计算结果，承台分4层浇筑，浇筑高度分别为2.0m、2.0m、3.0m和3.3m。综合考虑施工工作面及混凝土散热情况，每层混凝土的浇筑间歇期为57天左右，最长不得超过10天。3.4通水冷却3.4.1冷却水管及其布置通水冷却可以有效地削减混凝土的早期温峰，降低其内部最高温度。根据承台内部温度分布特征，在每层混凝土中埋设三层冷却水管，冷却水管采用外径为32mm，壁厚为1.8mm的薄壁电焊钢管，其水平间距为0.9m，每

12、根冷却水管长度不宜超过200m，冷却水管进、出水口应集中布置，以利于统一管理。冷却水管布置示意图见图1图4。3.4.2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，可直接采用江水冷却，通水流量应达到25L/min，通水时间一般为1015天或根据测温结果确定；3）为防止第二层混凝土浇筑后的水化热温升引起第一层混凝土的温度回升，第一层混凝土的冷却水管应进行二次通水冷却，通水时间根据测温结果定；4）待冷却水管通水全部结束并养生完成后，应采用30#水泥砂浆封堵冷却水管。为保证冷却水的初期降温效果,项目部应提前成立专门班子,专人负

13、责,优化冷却水管的管路布置,合理选择水泵,并配备检修人员,准备1-2台备用水泵,若管路出现故障应及时排除,保证冷却系统正常工作。施工时,操作人员应听从指挥,及时开启和关闭阀门。图1 主墩承台第一、三、五层冷却水管布置图（单位:cm）图2 主墩承台第二、四、六层冷却水管布置图（单位:cm）第一、三、五、七层冷却水管布置图第二、四、六、八层冷却水管布置图图3 近塔辅助墩冷却水管布置图（单位：cm）第一、三、五、七层冷却水管布置图第二、四、六、八层冷却水管布置图图4 远塔辅助墩及过渡墩冷却水管布置图（单位：cm）3.5保温为防止承台出现表面裂缝，应特别注意冬春季节施工时承台的表面保温工作。1）当日平

14、均气温在23天内连续下降超过68时，328天龄期内新浇混凝土表面必须进行表面保护；2）对于永久暴露面，对104月份浇筑的混凝土拆模后应立即进行表面覆盖，覆盖后的混凝土的表面等效放热系数2.0w/(m2.)；3）低温季节如拆模后混凝土表面温降可能超过69及气温骤降期间应推迟拆模时间，并选择气温较高时拆模；4）低温季节浇筑混凝土浇筑温度不应低于5；5）钢吊箱壁内应在承台混凝土浇筑前将水抽干，夹壁顶面用麻袋覆盖，以利于混凝土保温；6）在保温期间，应由专人对各保温部位进行检查，并根据气象预报在寒潮来临前加强保温检查。3.6养护应在混凝土终凝后及时采取不间断洒水或流水等措施养护，使混凝土表面经常保持湿润

15、状态。养护龄期不少于28天。4.现场监控为做到信息化施工，真实反映各层混凝土的温控效果，以便出现异常情况及时调整温控措施，应在每个承台混凝土中布设温度测点，它是温控工作的重要一环，为反映温控效果还需埋设应变计进行应力监测（拟在先施工的承台中埋设并检测）。4.1混凝土温度测试根据承台结构和温度场计算结果，拟在承台每个浇筑块的1/4区域内布设温度传感器，其测点布置示意图见图5图7，在检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。4.1.1检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PN-4C型数字多路自动巡回检测图5 主塔基础承台测温点布置图（单位：c

16、m）图6 近塔辅助墩基础承台测温点布置图（单位：cm）图7 远塔辅助墩及过渡墩测温点布置图（单位：cm）控制仪。温度传感器主要技术性能： 测温范围-50150；工作误差0.5；分辨率0.1；平均灵敏度-2.1(mv/) 。4.1.2现场测试要求在混凝土浇筑前完成传感器的埋设及保护工作，并将电缆引到测试房，保护材料主要为角钢或槽钢和塑料泡沫。各项测试项目宜在混凝土浇筑后立即进行，连续不断。混凝土的温度测试，峰值以前每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。每次检测完毕及时填写混凝土测温记录表。4.2混凝土应力监测根据承台温度应力场计算结果，拟在

17、每个承台中选择一个混凝土浇筑块埋设应变计，应变计位于层厚1/2，布置示意图见图5图7。应变计沿水平方向布置，检测水平方向的应力分量x、y。4.2.1检测所用仪器应变计采用DI-25型应变计，检测仪为SBQ-4型水工比例电桥，应变计的主要技术指标为：测量范围-1000×10-8600×10-6；温度范围-2560；0自由状态电阻比（ZO）0.96001.0400。4.2.2现场测试要求应变计采用角钢为保护材料，待混凝土浇筑到设计标高后开始埋设，每隔4小时观测一次，待混凝土温度峰值出现后，每天观测2次，持续10天，以后每3天观测一次，直至该部位浇完1个月。其后每周观测1次，直到

18、应变基本稳定。每次观测完后，及时填写应变计记录计算表。附1 苏通大桥主墩承台大体积混凝土温控计算1.主要计算条件1）单个承台分5层浇筑，浇筑高度分别为2.5m、2.5m、2.5m、3.0m和2.824m；2）承台基础为131根2.8m2.5m钻孔灌注桩；3）承台混凝土第一层浇筑日期是2005年1月，每层混凝土的浇筑间歇期为7天；4） 各层混凝土中均布置一层冷却水管，冷却水管采用直径为32.0mm的薄壁钢管，冷却水管水平间距为0.9m，冷却水管进水温度应满足要求；5）各层混凝土侧面采用麻袋或泡沫板等保温材料进行保温；6）气温采用招标文件提供的当地气温统计资料，平均风速取6.0 m/s；7）水温采

19、用招标文件提供的当地水温统计资料；8）35号混凝土采用石灰石碎石配制，其线性膨胀系数为7.0×10-6/； 9）35号混凝土水化热数据根据经验取值1d 150 J/g，3d 182 J/g，7d 233 J/g；10）35号混凝土其它参数取值见下表3：35号混凝土物理热学参数 表3混凝土标号最终弹模（MPa）泊松比导温系数(m2/d)比热(J/g.)在空气中热交换系数（kJ/m2.h.）35号3.2×1040.1670.0681.0158.111）35号混凝土的徐变按经验取值，如下所示：C(t,)=0.3×10-4 (0.304.38/ ) (1-e-0.25(t

20、-)+ 0.3×10-4 (0.2522.04/ ) (1-e-0.018(t-)其中: C(t,)徐变度(1/MPa)； t混凝土龄期（d）； -徐变加荷龄期（d）。2.主要计算成果承台大体积混凝土温度场及温度应力场的计算采用大体积混凝土施工期温度场及温度应力场计算程序包进行，其有限元剖分示意图见图8。图8 主墩承台有限元剖分图2.1温度场的主要特征值各层混凝土峰值温度在5455，在第23天出现，各层最高温度见下表4。各层混凝土浇筑温度和最高温度（） 表4层 次一二三四浇筑温度15141312Tmax545550472.2温度应力场主要特征值各层混凝土主要龄期的最大温度主拉应力见下

21、表5、6、7、8。 第一层混凝土最大温度主拉应力（MPa） 表5龄期（d）714284977105133161应 力0.61.21.82.12.22.32.32.2 第二层混凝土最大温度主拉应力（MPa） 表6龄期（d）714285698126154应 力0.71.52.02.22.32.42.4 第三层混凝土最大温度主拉应力（MPa） 表7龄期（d）714284977105133161应 力0.81.62.22.32.52.62.82.8 第四层混凝土最大温度主拉应力（MPa） 表8龄期（d）714285698126154应 力0.91.72.42.52.63.03.0由上表可见，承台混凝土

22、28天最大温度主拉应力为2.4MPa，而此时35号混凝土的劈裂抗拉强度一般大于3.0 MPa，承台内部混凝土各龄期均具有一定的抗裂安全系数，不会出现有害的温度裂缝。附2 苏通大桥近塔墩承台大体积混凝土温控计算1.主要计算条件1）承台分4层浇筑，浇筑高度分别为2.0m、2.0m、3.0m和3.3m；2）承台基础为36根2.82.5m变直径钻孔灌注桩；3）承台混凝土第一层浇筑日期是2005年1月，每层混凝土的浇筑间歇期为7天；4）每块混凝土中均布置一层冷却水管，冷却水管采用直径为32.0mm的薄壁钢管，冷却水管水平间距为0.9m，冷却水管进水温度应满足要求；5）各层混凝土侧面采用麻袋或泡沫板等保温

23、材料进行保温。6）气温采用招标文件提供的当地气温统计资料，平均风速取6.0 m/s；7）水温采用招标文件提供的当地水温统计资料；8）30号混凝土采用石灰石碎石配制，其线性膨胀系数为7.0×10-6/。 9）30号混凝土水化热数据根据经验取值1d 132 J/g，3d 164 J/g，7d 210 J/g；10）30号混凝土其它参数取值见下表9：30号混凝土物理热学参数 表9混凝土标号最终弹模（MPa）泊松比导温系数(m2/d)比热(J/g.)在空气中热交换系数（kJ/m2.h.）30号3.0×1040.1670.0681.0158.111）30号混凝土的徐变按经验取值，如下

24、所示：C(t,)=0.3×10-4 (0.304.38/ ) (1-e-0.25(t-)+ 0.3×10-4 (0.2522.04/ ) (1-e-0.018(t-)其中: C(t,)徐变度(1/MPa)； t混凝土龄期（d）； -徐变加荷龄期（d）。2.1主要计算成果承台大体积混凝土温度场及温度应力场的计算采用大体积混凝土施工期温度场及温度应力场计算程序包进行，其有限元剖分示意图见图9。图9近塔墩承台有限元剖分图2.1温度场的主要特征值各层混凝土峰值温度在50左右，在第23天出现，各层最高温度见下表10。各层混凝土浇筑温度和最高温度（） 表10层 次一二三四浇筑温度151

25、41312Tmax495047462.2温度应力场主要特征值各层混凝土主要龄期的最大温度主拉应力见下表11。 第一层混凝土最大温度主拉应力（MPa） 表11龄期（d）714284977105133161应 力0.81.31.92.22.32.42.42.4 第二层混凝土最大温度主拉应力（MPa） 表12龄期（d）714285698126154应 力0.751.42.12.32.42.42.3 第三层混凝土最大温度主拉应力（MPa） 表13龄期（d）714284977105133161应 力0.91.42.22.42.52.552.52.5 第四层混凝土最大温度主拉应力（MPa） 表14龄期（d

26、）714285698126154应 力0.91.42.32.42.52.52.5由上表可见，承台混凝土在施工期的最大温度应力为2.5MPa，根据混凝土劈裂抗拉试验结果，承台内部混凝土各龄期均具有较大的抗裂安全系数，不会出现有害的温度裂缝。附3 苏通大桥远塔墩和过渡墩承台大体积混凝土温控计算1.计算条件1）承台分4层浇筑，浇筑高度分别为2.0m、2.0m、3.0m和3.3m；2）承台基础为19根2.8m2.5m钻孔灌注桩；3）承台混凝土第一层浇筑日期是2005年1月，每层混凝土的浇筑间歇期为7天；4）各层混凝土中均布置一层冷却水管，冷却水管采用直径为32.0mm的薄壁钢管，冷却水管水平间距为0.

27、9m，冷却水管进水温度应满足要求；5）各层混凝土侧面采用麻袋或泡沫板等保温材料进行保温。6）气温采用招标文件提供的当地气温统计资料，平均风速取6.0 m/s；7）水温采用招标文件提供的当地水温统计资料；8）30号混凝土采用石灰石碎石配制，其线性膨胀系数为7.0×10-6/。 9）30号混凝土水化热数据根据经验取值1d 132 J/g，3d 164 J/g，7d 210 J/g；10）30号混凝土其它参数取值见下表15：30号混凝土物理热学参数 表15混凝土标号最终弹模（MPa）泊松比导温系数(m2/d)比热(J/g.)在空气中热交换系数（kJ/m2.h.）C303.0×10

28、40.1670.0681.0158.111）30号混凝土的徐变按经验取值，如下所示：C(t,)=0.3×10-4 (0.304.38/ ) (1-e-0.25(t-)+ 0.3×10-4 (0.2522.04/ ) (1-e-0.018(t-)其中: C(t,)徐变度(1/MPa)； t混凝土龄期（d）； -徐变加荷龄期（d）。2.主要计算成果承台大体积混凝土温度场及温度应力场的计算采用用大体积混凝土施工期温度场及温度应力场计算程序包进行，其有限元剖分示意见图10。图10远塔墩、过渡墩承台有限元剖分图2.1温度场的主要特征值各层混凝土峰值温度在50左右，在第23天出现，各层最高温度见下表16