太平湖大桥承台施工温控验算报告.docx
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太平湖大桥承台施工温控验算报告
S322桃花潭至甘棠公路改建工程
太平湖大桥承台施工温控验算报告
太平湖大桥施工监控项目组
二零一一年三月
一、项目概况
S322桃花潭至甘棠公路改建工程（以下简称本项目）位于宣州市泾县及黄山区甘棠镇境内，起点接泾县至沙溪公路，终点位于甘棠镇接S103。
路线全长25.6603公里。
本桥为（66+2x120+66）变截面预应力混凝土连续刚构，上部结构采用挂篮悬臂浇筑施工。
主跨跨中箱梁高度为3.0m，按2.0次抛物线变化至7.0m（至距主墩中心4m处主梁高度）。
主桥箱梁在墩顶0#块处设置两道厚度为1.6m的横隔板，横隔板上设人孔，边跨端部设置厚度为1.4m的端横梁，其余部位均不设横隔板。
箱梁顶板设2.0%的双向横坡，底板保持水平，采用纵、竖向预应力体系。
主桥下部结构2＃桥墩采用双肢薄壁预应力混凝土桥墩，钻孔灌注桩基础。
桥墩横桥向宽4.5m，单肢纵桥向厚1.6m。
桥墩内设JL32mm预应力精轧螺纹钢筋，其下的承台为圆形承台，直径12.0m，厚度3.5m，承台下设7根直径2.0m的钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计。
1、3＃桥墩采用箱形薄壁桥墩，钻孔灌注桩基础。
桥墩横桥向宽4.5m，纵桥宽4.0m。
其下的承台为矩形承台，长宽均为7.6m，厚度3.5m，承台下设4根直径2.0m的钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计。
主墩拟采用滑模施工，1#、2#、3#墩高分别为24m、26m、25m。
由于每个主墩承台为大体积混凝土，为解决水化热问题，采用分层浇筑，并建议设置循环水冷却。
二、施工温控的必要性
大体积混凝土浇筑量大，温度应力的变化是产生混凝土开裂的主要原因。
混凝土浇筑后，由于水泥在水化凝结过程中，要散发大量的水化热，使混凝土温度升高，体积膨胀，直至达到最高温度，以后，随着水化热量的减少和混凝土内部热量向外部介质的散发，混凝土温度将由最高温度降至一个稳定温度或准稳定温度场。
水泥的水化热大部分集中在混凝土浇筑后3～5天内产生，此时混凝土的变形模量小，还处于塑性阶段。
混凝土吸收内部水泥的水化热，体积膨胀，在承台底部受桩基础约束，将出现较小的压应力。
由于混凝土是热的不良导体，由最高温度降至稳定温度需要很长的时间。
在这段时间内，混凝土的变形模量得到很大的增长。
下部承台混凝土由于降温收缩，受基础约束，将会产生很大的拉应力。
如果这个拉应力超过同龄期混凝土的极限抗拉强度，就会出现基础贯穿裂缝。
在未受约束部位，如果混凝土的最高温度与外部介质的温差过大，内部温度较高的混凝土膨胀受外部温度较低混凝土的约束，在混凝土的表层将产生拉应力。
同时如果这个拉应力超过同龄期混凝土的极限抗拉强度，混凝土将出现表面裂缝。
如果养护不当，表面裂缝可能会进一步发展成深层裂缝。
所以，在承台大体积混凝土施工过程中和施工完毕后15天内，对混凝土内外温度进行监控和温度应力控制是必要的。
三、计算依据和参数
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。
软件分析计算结果的准确性除了建立与实际相辅的模型外，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。
3.1混凝土性能
3.1.1混凝土的配合比组成
（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，应避免使用早强、水化热较高和C含量较高的水泥；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
粉煤灰应采用组分均匀和各项性能稳定的Ⅱ级及Ⅱ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
为提高混凝土耐久性和减少用水量，改善混凝土和易性，降低绝热温升，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。
粗骨料级配为5～25mm级
配。
细骨料为中砂，其它指标应符合有关规范。
3.1.2混凝土力学性能
（1）封底混凝土：
封底混凝土采用C20混凝土，28天强度为f28=31.6MPa；查《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》知弹性模量为Ec=2.55×104MPa；泊松比：
u=0.2；密度：
=2350kg/m3；
（2）承台混凝土：
承台混凝土采用C30混凝土，28天强度为f28=40.3MPa；查《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》知弹性模量为Ec=3.0×104MPa；泊松比：
u=0.2；密度：
=2370kg/m3。
3.1.3混凝土热学性能
（1）导热系数及比热
参考《大体积混凝土温度应力与温度控制》第2.4节，在20℃条件下，各原材料的热学性能见表2.1。
表2.1原材料热学性能汇总表
材料名称
水泥
粉煤灰
砂
碎石
水
外加剂
导热系数λ（kJ/（m·h·℃））
4.446
4.446
11.129
14.528
2.16
2.16
比热c（kJ/（kg·℃））
0.456
0.456
0.699
0.749
4.187
4.187
根据上表按照重量百分比加权方法得出在21℃条件下，封底混凝土、承台混凝土的热学性能参数见表2.2
表2.2混凝土热学性能汇总表
材料名称
封底混凝土
承台混凝土
导热系数λ（kJ/（m·h·℃））
11.14
10.89
比热c（kJ/（kg·℃））
0.92
0.92
（2）热膨胀系数：
а=1×10-5
（3）绝热温升
参考《大体积混凝土温度应力与温度控制》表2-5-2中查得普通硅酸盐水泥的水化热系数Q0=330kJ/kg，根据水泥水化热计算得承台混凝土的绝热温升计算公式如下：
0=Q0（W+kF）/c/
式中，0—水泥绝热温升，
Q0—水泥水化热，
W—水泥用量，
k—折减系数，对于粉煤灰取0.25，
F—混合料用量，
C—混凝土比热，
—混凝土密度，
利用上式计算出承台混凝土绝热温升为47.2℃。
3.2施工条件
根据总体工期的总体安排，3#承台在1月份进行施工，在1月份的平均温度为-3℃。
混凝土浇筑温度：
按比浇注时的气温T高4℃进行控制，即T+4，模型中取值1℃。
承台采取二次性浇注，浇注高度为3.5m。
3.3边界条件
计算承台温度时，取以下边界条件：
考虑到如果将承台底桩基的支撑条件使用弹簧模拟，则无法模拟承台底传递桩基承台热量的过程，故采用封底混凝土模拟底部传热过程，其厚取为0.5m，标号C20混凝土，赋予相应的比热和热传导率，这样才能正确反应承台混凝土的水化热传播过程。
取封底混凝土底面和周边温度等于环境温度。
3.4计算要点
承台混凝土的体积变形，主要来自混凝土的水化热温升，混凝土在硬化过程中使混凝土块温度升高，又在环境温度作用下逐渐下降，直至达到稳定。
由于混凝土导温系数小，又受边界条件的影响，相对于初始温度，在大体积混凝土内部各点的温度不同，存在整体降温及非线性温度场，既受外部约束又有内部约束，因而产生温度应力。
这个温度应力一旦超出同龄期混凝土的抗拉强度，将导致温度裂缝。
为了更清楚地了解承台混凝土水化热对结构产生的影响，本报告进行了3#承台在设置循环水冷却和未设置循环水冷却环境下混凝土水化热产生的温度和应力对比分析。
（1）计算模型
利用MIDAS程序建立实体模型对3#承台进行分析。
图3.13#承台计算模型
四、计算结果
4.1温度云图及温度特征值
4.1.13#承台在未设置循环水冷却环境下温度云图及温度特征值分析
利用MIDAS程序对3#承台在未设置循环水冷却环境下进行分析，得出承台的温度云图如下：
图4.13#承台浇注后第10h温度云图（无管冷）
图4.23#承台浇注后第20h温度云图（无管冷）
图4.33#承台浇注后第60h温度云图（无管冷）
图4.43#承台浇注后第168h温度云图（无管冷）
为了更清楚地了解水化热分析的特征，选择模型中特征点位：
1989（温度最高点）、3933（温度最低点）查看分析结果。
图4.53#承台混凝土内外特征点温度时程图（无管冷）
从以上的温度云图及温度特征点的温度时程图中，可以看出：
（1）在未设置循环水冷却环境下，出现温度最高点的位置一般位于承台内部。
（2）最高温度发生在混凝土浇注后第一～二天。
由1#承台浇注后不同时间段的温度云图（无管冷）可看出各温度特征点的特征值，其中首层混凝土浇筑20h后内部达到最高温度为46.5oC。
4.1.23#承台在设置循环水冷却环境下温度云图及温度特征值分析
承台施工过程中，主要采用冷却水管进行内部降温。
承台冷却管需采用导热性好、并有一定强度的管材，公称口径30mm；冷却水管布置层距为1.25m，每层混凝土均布3层冷却水管。
水管布置如图4-6所示。
图4.63#承台冷却水管布置示意图
利用MIDAS程序对3#承台在设置循环水冷却环境下进行分析，得出承台的温度云图如下：
图4.73#承台浇注后第10h温度云图（有管冷）
图4.83#承台浇注后第20h温度云图（有管冷）
图4.93#承台浇注后第60h温度云图（有管冷）
图4.103#承台浇注后第168h温度云图（有管冷）
为了更清楚地了解水化热分析的特征，选择模型中特征点位：
2439（温度最高点）、2327（温度最低点）查看分析结果。
图4.113#承台混凝土内外特征点温度时程图（有管冷）
从以上的温度云图及温度特征点的温度时程图中，可以看出：
（1）冷却水管降温效果明显，出现温度最高点的位置一般位于冷却水管布置较疏的角点部位及靠近冷却水管出水口位置；前期出现温度最低点的位置位于冷却水管的入水口位置。
（2）最高温度发生在混凝土浇注后第一～二天。
由3#承台浇注后不同时间段的温度云图（无管冷）可看出各温度特征点的特征值，其中首层混凝土浇筑20h后内部达到最高温度为30.5oC。
对比分析3#承台在设置循环水冷却和未设置循环水冷却环境下的温度云图及温度特征值，可以看出：
未设置循环水冷却环境下，混凝土浇筑20h后内部达到最高温度为46.5oC；设置循环水冷却环境下，混凝土浇筑20h后内部达到最高温度为30.5oC。
冷却水管对承台浇筑过程水化热降温效果明显。
4.2应力云图及应力特征值
4.2.13#承台应力云图及应力特征值分析
利用MIDAS程序对承台进行计算分析，对3#承台在未设置循环水冷却环境下和设置循环水冷却环境下计算结果进行初步分析。
计算得出20小时承台的拉应力最大时刻的云图如下：
图4.183#承台浇注后第20h第一主应力（无管冷）
图4.193#承台浇注后第20h第三主应力（无管冷）
图4.203#承台浇注后第20h第一主应力（有管冷）
图4.213#承台浇注后第20h第三主应力（有管冷）
为了更清楚地了解水化热分析的特征，选择模型中特征点位：
65884（在未设置循环水冷却环境下容许拉应力与结构拉应力比最小点）、67279（在未设置循环水冷却环境下压应力最大点）、11215（在设置循环水冷却环境下容许拉应力与结构拉应力比最小点）、10086（在设置循环水冷却环境下压应力最大点）查看分析结果。
图4.23应力特征点应力时程图（无管冷）
图4.22应力特征点应力时程图（有管冷）
分析3#承台各温度特征点的应力特征值，其中在未设置循环水冷却环境下混凝土浇筑20h后承台表面的最大拉应力为0.25MPa，在设置循环水冷却环境下混凝土浇筑20h后承台表面的最大拉应力为0.15MPa，均未超过容许拉应力值。
4.3结论及建议
根据以上的计算结果及分析，得出以下结论：
（1）3#承台在未设置循环水冷却环境下，混凝土浇筑20h后内部达到最高温度为46.5oC。
冷却水管对承台浇筑过程水化热降温效果明显。
（2）根据计算结果显示，3#承台在设置循环水冷却和未设置循环水冷却环境下由温度产生的拉应力均在允许的范围以内。
（3）浇筑完成后3d内各层混凝土表面拉应力值上升较快，需加强对混凝土表面的保温措施，减低内外温差。
（4）温控标准：
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，建议施工中需控制混凝土内外温差小于25℃。
（5）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，制订以下具体的温控措施：
大体积混凝土主要考虑抗裂性能好、兼顾低热和高强两个方面的要求。
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2节中的规定的温控标准。
2）采用双掺技术，掺用30%以上的优质粉煤灰，采用缓解水化热效果好的外加剂，降低混凝土的水化热温升。
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及减少砂率。
4）调整施工时间应尽量选择气温较低的日子施工，同时尽量安排每一浇筑层的中下部混凝土在夜间和早上浇筑，表面在白天浇筑。
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℃，且不大于32℃。
①、水泥提前入罐，让其自然冷却，确保拌和前的水泥温度不高于60℃。
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，用冰水拌合混凝土。
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）采用冷却水管
①、冷却水管的水平间距和上下层基本间距1m，水管间的间距误差不得超过±5cm。
②、单根水管长度以小于160m为宜。
③、水管内通水流量为不小于2.7m3/h，冷却水的进水口水温以不大于旬平均气温。
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，通水时间不小于8天，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，管内径大于40mm,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、应确保通水期间的水源和流量，中途不得发生停水事故。
7）表面保温与养护混凝土浇注完毕待初凝后立即在上表面进行保温养护。
表面采用保温材料（土工布或塑料薄膜加草袋）保温养护。
在承台的四周，采取保温材料覆盖模板进行养护，拆模后，继续采用保温材料进行覆盖养护。
混凝土侧面应加强养护，使其始终保持湿润状态。
8）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，及时掌握内外温差则可以及时调整保护层厚度。
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。
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