黄河公路大桥26#索塔承台水化热分析计算书.docx
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黄河公路大桥26#索塔承台水化热分析计算书
26#索塔承台水化热分析计算书
1计算依据
⑴《济齐黄河公路大桥施工图》；
⑵《建筑施工计算手册》；
⑶《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）；
⑷《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002（2011年版））；
⑸《公路桥涵施工技术规范》JTGTF50-2011；
⑹《MidasCivil2012》。
2工程概况
济齐黄河公路大桥位于黄河下游济南段北店子浮桥附近，南岸接济南市槐荫区济齐路，北岸接齐河县齐晏路与国道309线平交口处。
济齐黄河大桥长2288m，桥跨布置为：
23×30+（40+175+410+175+40）+25×30m，主桥桥型为双塔双索面钢-混组合梁斜拉桥，长度840m。
桥型布置图如下：
图2-1济齐黄河公路大桥主桥桥型布置图
主桥最大承台为26#索塔承台，承台平面尺寸为24m×18.9m，高5m，承台采用C30混凝土，单个承台总方量2268m3。
承台顶部设置塔座，高2m，采用四棱台结构形式，顶面尺寸为16.0×10.9m，底面尺寸为20.0×14.9m，单个塔座总方量466.9m3。
3承台混凝土施工
本标段安装1台HZS90型混凝土拌和站，盘容量1.5m3，每盘料设定搅拌时间为120s，搅拌站一小时正常情况下生产30盘（共计45m3）混凝土。
根据桥址处地质条件、承台深基坑支护结构、大体积温控设计、浇筑时间及方法、承台混凝土方量及搅拌站料仓储存能力，将承台分2层进行浇筑：
第1次浇筑高度2m，混凝土方量907.2m3，浇注速度为45m3/h左右，浇注时间约20.2h；第2次浇筑高度3m，混凝土方量1360.8m3，浇注速度为45m3/h左右，浇注时间约30.3h。
塔座一次性浇筑完成，混凝土方量933.8m3，浇注速度为45m3/h左右，浇注时间约20.8h。
4承台温控分析
采用MIDAS2012有限元分析软件模拟承台施工阶段内部温度及应力场，根据计算结果，合理优化冷却水管布置方式，并制定相应的温控措施。
该软件能够模拟混凝土的浇注、养护过程，并考虑分块浇筑时间间隔、分层厚度、浇筑温度、混凝土水化热进程、养护方式、冷却水管管径、通水流量、通水时间、冷却水温度、外界气温变化、混凝土徐变等复杂因素。
4.1冷却水管设计
根据混凝土内部温度分布特征、温控目标及分层浇筑施工特点，在承台内埋设三层冷却水管，水管水平间距1m，第一层冷却水管距承台底1m，第二层距第一层2m，第三层距第二层1m；在塔座内埋设一层冷却水管，水管水平间距1m，冷却水管距塔座底1m，承台、塔座冷却水管内径均为41mm，冷却水管布置情况见图4-1～图4.5。
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，并用多重铁丝扎紧。
图4.1.1承台第1、3层冷却水管平面布置示意图
图4.1.2承台第2层冷却水管平面布置示意图
图4.1.3塔座冷却水管平面布置示意图
图4.1.4承台及塔座横桥向冷却水管立面布置示意图
图4.1.5承台及塔座纵桥向冷却水管立面布置示意图
4.2监测点布设
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。
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；塔座布设1层测点，共9个。
图4.2.1承台测温点平面布置示意图
图4.2.2承台测温点立面布置示意图
图4.2.3塔座测温点平面布置示意图
图4.2.4塔座测温点立面布置示意图
4.3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（HeatTransferAnalysis）和热应力分析（ThermalStressAnalysis）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
4.3.2模型基本数据
4.3.2.1模型建立
MIDAS模型中采用体单元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，并进行水化热分析。
承台及地基整体模型如下：
图4.3.1承台及地基整体模型
4.3.2.2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。
第二阶段与第一阶段相同，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。
4.3.2.3材料特性
材料特性基本数据如下表所示。
表4.3.1材料特性
特性
基础
地基
比热（kcal/kg℃）
0.25
0.2
容重（kN/m³）
25
18
热传导率（kcal/mhr℃）
2.3
1.7
对流系数（kcal/m2hr℃）
外表面
12
12
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=4.5b=0.95
-
28天弹性模量（kN/m³）
3.25×10^7
1.0×106
热膨胀系数
1.0×10^-5
1.0×10^-5
泊松比
0.18
0.2
每立方米水泥量（kg/m³）
350
-
热源函数系数
K=41a=0.759
-
5仿真分析结果
5.1冷却管水温情况
每层选取一个具有代表性的冷却管，分别取1/3处、2/3处、出口处进行观察。
进口处水温设置为10℃。
5.1.1第一层冷却管
此层三个代表点的节点号按顺序依次为3425、3350、3275。
各施工时间段代表点温度情况如表5.1.1所示。
表5.1.1第一层冷却管代表点温度
阶段
步骤
时间（h）
3425
3350
3275
CS1
1
10
22.4
22.4
22.4
CS1
2
24
27.6
28.9
29.2
CS1
3
48
29.2
33.0
34.1
CS1
4
72
26.7
32.5
34.7
CS1
5
96
23.2
29.9
33.1
CS1
6
120
20.0
26.7
30.4
CS1
7
144
17.6
23.5
27.5
CS1
8
168
15.9
20.9
24.7
CS1
9
192
14.8
18.9
22.3
CS1
10
216
14.0
17.4
20.4
CS1
11
240
13.5
16.3
18.8
CS1
12
264
13.1
15.5
17.6
CS1
13
288
12.8
14.8
16.7
CS1
14
312
12.6
14.4
16.0
CS1
15
336
12.5
14.1
15.5
由上表可以看出：
管冷出口处节点3275在步骤4时温度达到最高，为34.7℃。
5.1.2第二层冷却管
此层三个代表点的节点号按顺序依次为4478、4482、4486。
各施工时间段代表点温度情况如表5.1.2所示。
表5.1.2第二层冷却管代表点温度
阶段
步骤
时间（h）
4478
4482
4486
CS2
1
10
22.4
22.4
22.4
CS2
2
24
27.6
28.8
29.2
CS2
3
48
29.2
32.8
34.0
CS2
4
72
26.7
32.4
34.6
CS2
5
96
23.2
29.8
33.1
CS2
6
120
20.0
26.6
30.6
CS2
7
144
17.5
23.5
27.8
CS2
8
168
15.7
20.9
25.0
CS2
9
192
14.5
18.7
22.5
CS2
10
216
13.6
17.0
20.4
CS2
11
240
13.0
15.8
18.6
CS2
12
264
12.6
14.9
17.3
CS2
13
288
12.2
14.2
16.2
CS2
14
312
12.0
13.6
15.4
CS2
15
336
11.8
13.2
14.7
由上表可以看出：
管冷出口处节点4486在步骤4时温度达到最高，为34.6℃。
5.1.3第三层冷却管
此层三个代表点的节点号按顺序依次为4925、4850、4775。
各施工时间段代表点温度情况如表5.1.3所示。
表5.1.3第三层冷却管代表点温度
阶段
步骤
时间（h）
4925
4850
4775
CS2
1
10
22.4
22.4
22.4
CS2
2
24
27.5
28.9
29.2
CS2
3
48
28.8
32.7
34.0
CS2
4
72
26.0
31.8
34.3
CS2
5
96
22.1
28.8
32.3
CS2
6
120
18.7
25.1
29.4
CS2
7
144
16.1
21.7
26.1
CS2
8
168
14.4
18.9
23.1
CS2
9
192
13.2
16.8
20.5
CS2
10
216
12.4
15.2
18.3
CS2
11
240
11.9
14.0
16.7
CS2
12
264
11.6
13.2
15.4
CS2
13
288
11.4
12.7
14.5
CS2
14
312
11.3
12.3
13.8
CS2
15
336
11.2
12.1
13.4
由上表可以看出：
管冷出口处节点4775在步骤4时温度达到最高，为34.3℃。
5.2承台温度情况
5.2.1承台第一次浇筑时温度情况
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，温度情况如下图5.2.1所示：
图5.2.1承台第一次浇筑最高温度条件下温度分布图
通过对结果分析，承台第一次浇筑在步骤4时内外温差最大，内外温差最大为20.5℃，小于容许温差25℃，满足大体积混凝土施工要求。
5.2.2承台第二次浇筑时温度情况
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5.2.2所示：
图5.2.2承台第二次浇筑最高温度条件下温度分布图
通过对结果分析，承台第二次浇筑在步骤4时内外温差最大，内外温差最大为21.6℃，小于容许温差25℃，满足大体积混凝土施工要求。
5.3承台应力情况
5.3.1承台第一次浇筑时应力情况
通过对结果分析，承台第一次浇筑在步骤4时sig-EFF最大，最大有效拉应力1.02Mpa，小于C30抗拉强度标准值2.01Mpa，计算结果满足要求，此时应力分布图如下图5.3.1所示：
图5.3.1承台第一次浇筑sig-EFF应力最大时应力分布图
5.3.2承台第二次浇筑应力情况
通过对结果分析，承台第二次浇筑在步骤3时sig-EFF最大，最大有效拉应力1.58Mpa，小于C30抗拉强度标准值2.05Mpa，计算结果满足要求，此时应力分布图如下图5.3.2所示：
图5.3.2承台第二次浇筑sig-EFF应力最大时应力分布图
5.4监控点时程图
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。
成果书分别选取了承台第一次浇筑时的1个表面点、2个内部节点和承台第二次浇筑时的1个表面点、3个内部节点共7个点查看分析结果。
5.4.1监控点的选取
承台第一次浇筑时选取3500、4000、3275三点，3500位于第一层冷却管处，4000位于两层混凝土分界面，3275位于第一次浇筑承台的内部。
承台第二次浇筑时选取4500、5000、5498、4486四点，4500位于第二层冷却管处，5000位于第三层冷却管处，5498处于承台顶面，4486位于第二次浇筑承台的内部。
5.4.2监控点时程图
⑴节点3500
应力和容许应力时程图如下图5.4.1所示。
图5.4.1节点3500应力和容许应力时程图
温度时程图如下图5.4.2所示。
图5.4.2节点3500温度时程图
⑵节点4000
应力和容许应力时程图如下图5.4.3所示。
图5.4.3节点4000应力和容许应力时程图
温度时程图如下图5.4.4所示。
图5.4.4节点4000温度时程图
⑶节点3275
应力和容许应力时程图如下图5.4.5所示。
图5.4.5节点3275应力和容许应力时程图
温度时程图如下图5.4.6所示。
图5.4.6节点3275温度时程图
⑷节点4500
应力和容许应力时程图如下图5.4.7所示。
图5.4.7节点4500应力和容许应力时程图
温度时程图如下图5.4.8所示。
图5.4.8节点4500温度时程图
⑸节点5000
应力和容许应力时程图如下图5.4.9所示。
图5.4.9节点5000应力和容许应力时程图
温度时程图如下图5.4.10所示。
图5.4.10节点5000温度时程图
⑹节点5498
应力和容许应力时程图如下图5.4.11所示。
图5.4.11节点5498应力和容许应力时程图
温度时程图如下图5.4.12所示。
图5.4.12节点5498温度时程图
⑺节点4486
应力和容许应力时程图如下图5.4.13所示。
图5.4.13节点4486应力和容许应力时程图
温度时程图如下图5.4.14所示。
图5.4.14节点4486温度时程图
5.5实际施工中承台温控建议
计算结果汇总如下表5.5.1所示：
表5.5.1计算结果汇总表
承台第一次浇筑
承台第二次浇筑
限值
是否满足要求
内外温度差
20.5
21.6
25
是
混凝土拉应力
1.02
1.58
2.01
是
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。
⑴温控要求
基于仿真计算结果，结合已有现场经验，按照施工流程，从配合比优化到养护完成提出以下控制要求。
混凝土性能、工艺要求：
①C30混凝土绝热温升小于35℃；
②C30混凝土28天劈裂抗拉强度大于2.01MPa；
③水泥、粉煤灰、矿粉温度不宜高于50℃；
④混凝土入仓温度不宜高于15℃；
⑤混凝土施工前，应进行计量标定，称料误差符合规范要求，严格按确定的配合比拌制；
⑥混凝土按规定厚度、顺序和方向分层浇筑，在下层混凝土初凝前浇筑完上层混凝土；
⑦两层混凝土浇筑间歇期不宜超过14天。
⑵保温、养护要求
①内、外温差小于25℃；
②混凝土降温速率不宜大于3℃/d；
③混凝土表面的养护水温度与混凝土表面温度之差不应大于15℃，养护用水采用自来水；
④混凝土内部均温与环境温度之差小于20℃方可拆模。
降低混凝土的入仓温度对控制混凝土裂缝非常重要。
在混凝土开盘前，可通过测量水泥、粉煤灰、砂、石、水的温度，估算入仓温度。
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