承台大体积混凝土温控方案.docx
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承台大体积混凝土温控方案
重庆朝天门长江大桥工程主墩承台砼
温控方案
中港二航局重庆朝天门长江大桥项目部
2005年3月
1．工程概况
2．基本计算资料
3．混凝土材料参数及数值模型
4．计算结果及分析
5.温度控制标准和温控措施
6.混凝土温控施工现场监测
审核：
校核：
编写：
1．工程概况
重庆朝天门大桥工程主墩承台上下游分离，呈长方形，承台平面尺寸25.0m×19.4m，厚度为6.0m。
混凝土强度等级为C30，单个承台方量为2910m3，承台施工时采用连槽浇筑。
该承台为大体积混凝土结构。
由于水泥水化过程中产生的水化热，使浇筑后初期混凝土内部温度急剧上升，引起混凝土膨胀变形，而此时混凝土的弹性模量很小，因此，升温引起受基础约束的膨胀变形产生的压应力很小。
随着温度逐渐降低混凝土产生收缩变形，但此时混凝土弹性模量较大，降温引起受基础约束的变形会产生相当大的拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会产生温度裂缝，对混凝土结构产生不同程度的危害。
此外，在混凝土内部温度较高时，外部环境温度较低或气温骤降期间，内表温差过大在混凝土表面也会产生较大的拉应力而出现表面裂缝。
对主墩承台大体积混凝土进行了温度场及应力场仿真计算，根据计算结果制定了承台不出现有害温度裂缝的温控标准，并制定了相应的温控措施。
温控计算采用大型有限元程序《大体积混凝土施工期温度场与仿真应力场分析程序包》进行。
在大体积混凝土仿真分析中，温度是基本作用荷载。
混凝土内部温度变化是一个热传递问题，用有限元法求解有下面几个优点：
①容易适应不规则边界；②在温度梯度大的地方，可局部加密网格；③容易与计算应力的有限单元法程序配套，将温度场、应力场和徐变变形三者在一个统一的程序中计算。
仿真应力计算中需考虑混凝土温度、徐变、自重、自生体积变形和干缩变形等的作用。
《大体积混凝土施工期温度场与仿真应力场分析程序包》主要特点为：
1）该程序用于结构施工期累积温度场及仿真应力场的计算。
2）可以考虑混凝土分层浇筑方式、入仓温度、浇筑层厚度、施工期间歇、混凝土及基础弹模的变化、外界水温及气温的变化、混凝土的自生体积变形及徐变影响等复杂因素，能够模拟实际的施工运行过程。
3）提供三种单元类型：
8～20变节点六面体等参元，6～15变节点五面体等参元和8节点六面体等参元。
4）具有多种求解器，可以选用直接解法或迭代法求解大型线性方程组，具有速度快、存储量小的特点，可利用微机进行大型混凝土结构的仿真分析。
5）可以输出高斯点应力和节点应力。
6）有一套完善的数据查错功能。
7）另配有一套完善的前后处理程序。
2.基本计算资料
2.1气象资料
沿线属亚热带湿润气候，具冬暖春早、雨量充沛、夜雨多、空气湿度大、云雾多、日照偏少等特点。
1）气象
根据重庆市气象局1951年～1992年间的气象观测资料，调查区内的气象特征具有空气湿润，春早夏长、冬暖多雾、秋雨连绵的特点，年无霜期349天左右。
2）气温
多年平均气温18.3℃，月平均最高气温是8月为28.5℃，月平均最低气温在1月为7.3℃，极端最高气温42.2℃，极端最低气温-1.8℃。
3）降水量
多年平均降水量1082.6mm左右，降雨多集中在5～9月，日最大降雨量192.9mm，日降雨量大于25mm以上的大暴雨日数占全年降雨日数的62%左右，小时最大降雨量可达62.1mm。
4）湿度
多年平均相对湿度79%左右，绝对湿度17.7mb左右，最热月份相对湿度70%左右，最冷月份相对湿度81%左右。
5）风
全年主导风向为北，频率13%左右，夏季主导风向为北西，频率10%左右，年平均风速为1.3m/s左右，最大风速为26.7m/s。
计算时桥位区的气温资料参照表2-1。
2002年1～12月气温统计资料表2-1
时间
最高温度（℃）
最低温度（℃）
平均温度（℃）
备注
1月份
2月份
3月份
施工月份
4月份
施工月份
5月份
施工月份
6月份
7月份
8月份
9月份
10月份
11月份
12月份
2.2施工资料
根据以下施工资料进行温度应力计算。
承台混凝土设计强度等级为C30。
两个承台分别2005年3~5月份施工，混凝土浇筑温度分别为15℃～25℃。
承台混凝土采用一次性浇注，冷却水管布置六层，层间距为1.0m，每层水管之间的排距为1.0m；冷却水管采用φ50mm的黑体管（壁厚3.5mm），冷却水为长江水。
计算时考虑承台混凝土的保温，即待混凝土终凝后立即进行蓄水养护。
2.3承台施工配合比
2.3.1混凝土原材料
①水泥：
重庆拉法基PO42.5水泥；
②粉煤灰：
珞璜Ⅱ级粉煤灰；
③黄砂：
渠河/长江混合砂，细度模数为2.4；
④碎石：
混合山碎石，产地：
白市驿；
⑤外加剂：
JY-1泵送剂，厂名：
江韵。
2.3.2施工配合比见表2-2。
承台混凝土施工配合比表2-2
材料名称
水泥（kg/m3）
粉煤灰（kg/m3）
砂
（kg/m3）
石
（kg/m3）
水
（kg/m3）
外加剂（kg/m3）
每m3用量（kg）
320
96
658
1074
198
5.44
质量比
1.0
0.3
2.06
3.36
0.48
0.017
2.3.3水泥水化热试验
根据施工配合比进行水泥水化热试验，试验结果见表2-3，并据此计算混凝土绝热温升值。
水泥水化热试验结果表2-3
水泥掺量（％）
粉煤灰掺量（％）
水泥水化热值（kJ/kg）
绝热温升（℃）
1d
3d
7d
60
40
141
186
239
44.0
3．混凝土材料参数及数值模型
3.1材料参数
混凝土材料参数参考有关设计规范及工程试验结果。
C35混凝土弹性模量、热学参数、干缩变形和自生体积变形取值见表3-1、3-2、3-3。
C35混凝土弹性模量取值（×104MPa）表3－1
3d
7d
28d
60d
90d
120d
1.35
2.27
3.29
3.47
3.69
3.87
C35混凝土热学参数表3－2
线胀系数（10－6／℃）
导温系数（m2/h）
导热系数（kcal/m.h.℃）
7.7
0.0049
2.7
C35混凝土自身体积变形（×10－6）表3－3
3d
7d
14d
21d
28d
60d
90d
180d
2.11
15.54
18.03
6.09
-3.89
-7.47
-12.07
-29.30
备注：
表中“－”表示收缩
3.2数值模型
计算中使用的绝热温升、弹性模量、徐变度的数值模型分别为：
3.2.1绝热温升
绝热温升公式取双曲线函数：
（3-1）
式中：
－最终绝热温升，
－时间，
－参数。
混凝土的
和
值分别为44和3.5。
3.2.2弹性模量
弹性模量随时间的增长曲线采用四参数双指数形式，即
（3-2）
式中：
为初始弹模，
为最终弹模与初始弹模之差，
为与弹模增长速率有关的两个参数。
其值分别取0.14和0.17。
3.2.3徐变度
根据工程经验，取C35混凝土徐变度如下（单位：
10-6／MPa）：
（3-3）4．计算结果及分析
4.1网格剖分、边界条件及荷载
取1／4承台进行计算，承台混凝土分三次浇筑，第一、二层混凝土浇筑厚度为2.0m，第三层混凝土浇筑厚度4.3m，承台底部受封底混凝土和钻孔桩灌注桩的约束。
网格剖分见图1。
剖分总单元数为3900个，总节点数为4686个。
计算中承台混凝土的温度为第三类边界条件，环境温度取南通市多年平均气温，见表2-1。
计算时考虑温度荷载及自生体积变形。
4.2第一种工况计算结果（2月份浇筑，承台表面保温）
4.2.1温度场主要特征
混凝土浇筑后2～3天即达到温度峰，第一层混凝土内部最高温度约为54℃，第二层混凝土内部最高温度约为55℃，第三层混凝土内部最高温度为53℃，温峰持续1天左右温度开始下降，初期降温速度较快，以后降温速率逐渐减慢，至15～20天后降温平缓，温度趋于准稳定状态。
由于混凝土多次浇筑，下层混凝土的温度随着上层混凝土的浇筑会出现一定程度的反弹。
承台混凝土中部温度最高，四周温度较低，靠近边缘部分混凝土温度梯度最大。
4.2.2应力场主要特征
承台混凝土各龄期的最大主拉应力见表4－1、4－2和4-3。
第一层承台混凝土最大温度主拉应力（MPa）表4-1
龄期（d）
7
14
21
28
45
60
90
120
应力
0.98
1.26
1.39
1.68
1.95
2.23
2.47
2.73
第二层承台混凝土最大温度主拉应力（MPa）表4-2
龄期（d）
7
14
21
28
45
60
90
2.4
应力
0.87
1.05
1.20
1.43
1.77
2.06
2.18
2.39
第三层承台混凝土最大温度主拉应力（MPa）表4-3
龄期（d）
7
14
21
28
45
60
90
120
应力
0.91
1.02
1.05
1.40
1.77
2.02
2.30
2.51
4.2.3结果分析
根据计算结果，承台内部温度应力呈现出四周边缘应力大，中间应力小的特征，承台第一层混凝土由于受到封底混凝土和钻孔桩灌注桩的约束，温度应力较大。
由表4-4可知，承台分三次浇筑，混凝土各龄期抗裂安全系数均大于1.3，故在施工期承台不会产生有害温度裂缝。
承台混凝土各龄期抗裂安全系数表4-4
龄期（d）
7
14
28
45
60
120
C35砼劈裂抗拉强度（MPa）
1.49
2.57
3.21
3.37
3.48
3.71
承台砼内部最大拉应力（MPa）
0.98
1.44
1.77
2.16
2.49
2.72
抗裂安全系数
1.52
1.78
1.81
1.56
1.39
1.36
4.3第二种工况计算结果（4月份浇筑）
4.3.1温度场主要特征
4月份浇筑承台，由于混凝土入仓温度升高，导致混凝土内部最高温度有所增加。
混凝土浇筑后2～3天即达到温度峰，第一层混凝土内部最高温度约为60℃，第二层混凝土内部最高温度约为61℃，第三层混凝土内部最高温度为61℃，温峰持续1天左右温度开始下降，初期降温速度较快，以后降温速率逐渐减慢，至15～20天后降温平缓，温度趋于准稳定状态。
由于混凝土多次浇筑，下层混凝土的温度随着上层混凝土的浇筑会出现一定程度的反弹。
承台混凝土中部温度最高，四周温度较低，靠近边缘部分混凝土温度梯度最大。
4.3.2应力场主要特征
承台混凝土各龄期的最大主拉应力见表4－5、4－6和4-7。
第一层承台混凝土最大温度主拉应力（MPa）表4-5
龄期（d）
7
14
21
28
45
60
90
120
应力
1.03
1.72
1.96
2.19
2.47
2.73
2.90
3.09
第二层承台混凝土最大温度主拉应力（MPa）表4-6
龄期（d）
7
14
21
28
45
60
90
2.4
应力
0.88
1.49
1.70
1.95
2.36
2.48
2.66
2.79
第三层承台混凝土最大温度主拉应力（MPa）表4-7
龄期（d）
7
14
21
28
45
60
90
120
应力
0.93
1.61
1.85
2.09
2.46
2.57
2.86
2.91
4..3.3结果分析
根据计算结果，4月份浇筑承台，由于混凝土入仓温度高，导致砼内温度应力增加。
承台内部温度应力呈现出四周边缘应力大，中间应力小的特征，承台第一层混凝土由于受到封底混凝土和钻孔桩灌注桩的约束，温度应力较大。
由表4-8可知，承台分三次浇筑，混凝土各龄期抗裂安全系数均大于1.2，故在施工期承台不会产生有害温度裂缝。
承台混凝土各龄期抗裂安全系数表4-8
龄期（d）
7
14
28
45
60
120
C35砼劈裂抗拉强度（MPa）
1.49
2.57
3.21
3.37
3.48
3.71
承台砼内部最大拉应力（MPa）
1.03
1.72
2.19
2.47
2.73
3.09
抗裂安全系数
1.45
1.49
1.46
1.36
1.27
1.20
5．温控标准和温控措施
5.1温度控制标准
根据计算结果，在施工期内为保证承台不出现有害温度裂缝，宜采取如下温控标准：
（1）承台混凝土2月份浇筑时温度不应高于12℃，4月份浇筑时温度不应高于22
℃；
（2）混凝土内表温差不超过25℃；
（3）2月份浇筑时混凝土内部最高温度不超过55℃，4月份浇筑时混凝土内部最
高温度不超过61℃；
（4）混凝土最大降温速率不应大于2℃/d。
5.2温控措施
5.2.1混凝土原材料现场质量控制
合理选择混凝土原材料。
择级配良好的砂、石料、性能优良的缓凝高效减水剂，
选用低水化热的矿渣水泥掺加高品质的粉煤灰，是大体积混凝土温控施工的有效措施。
（1）水泥：
采用南通华新42.5普通水泥，水泥使用温度不应超过60℃，否则必须采取措施降低水泥温度。
水泥应分批检验，质量应稳定。
如果存放期超过3个月应重新检验。
（2）粉煤灰：
应尽量增加粉煤灰掺量，以推迟水化热温峰的出现，降低砼绝热温升。
粉煤灰入场后应分批检验，质量应符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-91）的规定。
（3）细骨料：
宜采用中粗砂。
细度模数在2.7左右，砂含泥量必须小于2%，并无泥团，其它指标应符合规范规定，砂入场后应分批检验。
（4）粗骨料：
石子级配必须优良，来源稳定。
入场后分批检验，严格控制其含泥量不超过1.0%，如果达不到要求，石子必须用水冲洗合格后才能使用，其它指标必须符合规范要求。
（5）外加剂：
采用缓凝高效减水剂，以最大限度降低水泥用量，推迟水化热温峰的出现。
外加剂入场后应分批堆放，分批检验，如发现异常情况应及时报告。
外加剂在使用前尽量配成溶液，拌和均匀后方可使用，配制应有专人负责，做好配制记录；若直接使用固体外加剂，则需提前分袋称好，并适当延长搅拌时间。
外加剂的减水率应大于15％，其缓凝成分禁止使用糖类化合物。
（6）水：
拌合用水应符合有关规范规定。
5.2.2优化混凝土配合比，降低水化热温升
优化混凝土配合比，降低水泥用量，混凝土绝热温升控制在44℃。
混凝土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15h。
5.2.3混凝土浇筑温度的控制
（1）水泥入场温度不应超过60℃，否则应采取降温措施；
（2）混凝土浇筑温度不低于5℃，否则按照冬季施工规范采取相应措施。
在每次混凝土开盘之前，试验室要量测水泥、砂、石、水的温度，专门记录，计算其出机温度，并估算浇筑温度，计算方法见附1。
如估算浇筑温度低于5℃控制标准时，混凝土浇筑应用热水（不低于80℃）进行搅拌，并严格控制混凝土原材料的温度，如骨料防结冰等措施。
5.2.4控制混凝土浇筑间歇期
混凝土浇筑间歇时做到短间歇、连续施工，封底混凝土浇筑完成后尽快进行承台施工。
第一次浇筑层完成后，尽快进行第二层混凝土的浇筑。
两层混凝土的施工间歇期应小于7天。
5.2.5埋设冷却水管及其要求
5.2.5.1水管位置
根据混凝土内部温度分布特征，在承台混凝土内拟布设7层冷却水管，冷却水管为φ32mm的薄壁钢管，其水平间距为0.9m，冷却水管距混凝土侧面应大于1.0m，每根冷却水管长度不宜超过200m，冷却水管进水口应集中布置，以利于统一管理。
冷却水管布置示意图见图2。
5.2.5.2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，通水时间10～15天，通水流量应大于25L/min；
（3）由于混凝土分三次浇筑，底层混凝土顶面的冷却水管在上层混凝土浇筑后进行通水，以降低混凝土再次浇筑后温度的回升；
（4）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超过30℃条件下，尽量采用适宜温水或者采用循环水作为冷却水；
（5）冷却水管停止使用后，应采用C35水泥砂浆进行封闭灌浆。
5.2.6养护
待顶面混凝土终凝后立即覆盖二层麻袋，拆模后在围堰内进行蓄水养护，通水期间可采用冷却管出水，蓄水高度尽量接近承台顶面。
养护对混凝土强度正常增长及减少收缩裂缝具有重要意义，因此施工中必须重视混凝土的养护工作。
5.2.7保温
气温骤降或寒潮是砼表面产生浅层裂缝的重要原因。
由于春季是寒潮的多发季节，因此应特别重视砼的保温工作，控制砼的内表温差在25℃以内。
如不能满足要求，可采取如下措施：
混凝土侧模采用竹胶模板，在外部包裹一层土工布进行保温，模板1m处用彩条布围筑防风墙，墙与模板之间用碘钨灯或红外线灯照射表面加温。
混凝土顶面覆盖二层麻袋侧面用热水养护保温。
6．混凝土温控施工现场监测
6.1温度测试内容
根据温度计算成果，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采取有效措施，拟在单个承台混凝土中布设7层共108个温度测点。
测点沿承台的1／4部位水平布置，测点布置示意图见图3。
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。
6.2现场测试要求
各项测试项目应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。
6.3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PN—4C型数字多路巡回检测控制仪，温度传感器的主要技术性能：
测温范围：
-50℃～150℃；
工作误差：
±0.5℃;
分辨率：
0.1℃;
平均灵敏度：
-2.1mv/℃。
附1：
混凝土的出机温度和浇筑温度
1．混凝土的出机温度T0
T0=（0.20+Qs）WsTs+（0.20+Qg）WgTg+0.20WcTc+（Ww-QsWs-QgWg）Tw
0.20（Ws+Wg+Wc）+Ww
式中：
Qs、Qg分别为砂、石的含水量，以%计；
Ws、Wg、Wc、Ww分别为每方混凝土中砂、石、水泥和水的重量（粉煤灰计入水泥中）
Ts、Tg、Tc、Tw分别为砂、石、水泥和水的温度
2．混凝土的浇筑温度
Tp=To+（Tn-To）（θ1+θ2+θ3+...+θn）
式中：
Tn混凝土运输和浇筑时的气温：
θ1、θ2、θ3、θn----有关的系数，其数值如下：
（1）混凝土装、卸和转运，每次θ=0.03
（2）混凝土运输时θ=Aτ，τ为运输时间以分钟计，A参照下表；
（3）浇筑过程中θ=0.003τ,τ为浇捣时间以分钟计。
混凝土运输时冷量（或热量）损失计算参数A值表
运输工具
混凝土容积（m3）
A
自卸汽车
1.0
0.0040
自卸汽车
1.4
0.0037
自卸汽车
2.0
0.0030
长方形吊斗
0.3
0.0022
长方形吊斗
1.6
0.0013
园柱形吊斗
1.6
0.0009
泵送
／
0.0017
附表2：
混凝土温度记录表
工程部位：
层号：
开盘时间：
结束时间：
日期
时间
测 点 温 度（℃）
断面平均温度（℃）
内表温差（℃）
备
注
观测者：
记录者：
计算：
校核：
THANKS!
!
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