桥梁温控方案苏通大桥.docx
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桥梁温控方案苏通大桥
苏通大桥D1合同段主墩承台大体积混凝土
温控方案
中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司
二○○五年三月
1工程概况
2温度控制方法
2.1大体积混凝土施工温度控制的必要性
2.2大体积混凝土施工温度控制的本质
2.3温度控制基本工作思路
2.4温度控制目标
2.5温度控制工作流程
3温度场及仿真应力分析方法
3.1使用程序特点
3.2基本计算资料
4混凝土材料参数
4.1混凝土材料参数
4.2计算条件
5计算结果及分析
5.15、6月份施工时
5.1.1网格剖分
5.1.2主要计算结果
5.1.2.1温度场主要特征
5.1.2.2应力场主要特征
5.2布置管冷时
5.2.1温度场主要特征
5.2.2应力场主要特征
5.3结果分析
6.温度控制标准和温控措施
6.1温度控制标准
6.2温控措施
6.2.1混凝土浇筑温度的控制
6.2.2管冷控制
6.2.3保温养护
7.温度监测的内容及方法
7.1施工体系测量
7.2温度场测量
7.3环境体系温度测量
7.4监测时间安排
8.提交成果
9.温度控制注意事项
1工程概况
苏通大桥位于长江的江苏南通河段，连接苏州、南通两岸，北与宁（南京）通（南通）启（启东）高速公路及连（连云港）盐（盐城）通（南通）高速公路工程相连接，南与江苏沿江高速公路太仓至江阴段及苏（苏州）嘉（嘉兴）杭（杭州）高速公路相连。
上游距江苏江阴长江公路大桥约82km，下游距长江入海口108km。
大桥由跨江大桥和南北接线组成，全长32.42km，其中跨江大桥长8206m，北岸接线长约15.04km，南岸接线长约9.18km。
跨江大桥包括主桥、辅桥和南北引桥，其中主桥为主跨1088m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥，辅桥为主跨268m的预应力混凝土连续刚构，引桥为跨径30m、50m、75m的预应力混凝土连续箱梁桥。
D1合同段辅桥工程包括（140+268+140）m预应力混凝土连续刚构桥以及5×75m混凝土连续梁桥的基础和下部结构。
（140+268+140）m预应力混凝土连续刚构桥的北、南主墩（即78#、79#墩）采用42根D2.5～2.8m变直径钻孔灌注摩擦桩基础，梅花形布置。
桩底标高分别为-106m、-117m，桩长分别为102m、113m。
北、南主墩承台尺寸见表1，构造见图1。
单个承台混凝土浇筑方量达11068m3，属大体积混凝土施工。
墩号
平面尺寸
（m）
承台
高度
封底
高度
平面
面积
承台底
标高
地面
标高
承台混凝
土标号
北主墩
52.6x36.2
7m
2.5～4m
1686.6m2
-4.0m
-10.8m
C35
南主墩
52.6x36.2
7m
2.5～4m
1686.6m2
-4.0m
-9.4m
C35
表1南、北主墩承台设计参数
为了保证混凝土施工质量，避免产生有害温度裂缝，受项目部委托，我院对D1合同段预应力混凝土连续刚构桥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。
计算采用韩国大型有限元计算桥梁专用程序Midas/Civil进行。
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、徐变收缩、水化热的散发规律等物理热学性能。
图1主墩承台构造图（单位：
m）
2温度控制方法
2.1大体积混凝土施工温度控制的必要性
整体浇筑的大体积混凝土结构在养护期间，将主要产生两种变形：
因降温而产生的温度收缩变形及因水泥水化作用而产生的水化收缩变形，这些变形在受到约束的条件下，将在结构内部及其表面产生拉应力。
当拉应力超过混凝土相应龄期的抗拉强度时，结构开裂。
因此，在大体积混凝土施工过程中，为避免产生过大的温度应力，防止温度裂缝的产生或把裂缝控制在某个界限内，必须进行温度控制。
引起并导致大体积混凝土结构开裂的因素十分复杂，探究温度应力产生的根本原因，主要有以下四个方面：
（1）水泥水化热的影响。
水泥在水化的过程中要释放出大量的热量，并通过边界把部分热量向四周传递（散热）。
硬化初期，水泥水化速度快，发热量大于散热量，使混凝土升温；硬化后期，水泥水化速度减慢，当发热量小于散热量时，混凝土温度开始下降。
但在浇筑初期，混凝土的弹性模量较低，徐变较大，因此对温变引起的变形约束不大，相应的温度应力也比较小；随着龄期的增长，混凝土弹性模量急剧增高，徐变减小，对降温收缩变形的约束也越来越强，并产生温度应力（拉应力），当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便容易出现温度裂缝。
（2）外界气温变化的影响。
混凝土内部温度是水化热的绝热温升、浇筑温度和结构的散热温度等各种温度的叠加，因此在施工阶段受外界气温的影响主要体现在两方面：
一、外界气温越高，混凝土的浇筑温度也越高，相应最高温升值也越高；二、外界气温下降，又增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，形成“冷击”。
内外温差越大，温度应力也越大。
（3）混凝土收缩变形的影响。
混凝土的收缩变形主要有浇筑初期（终凝前）的凝缩变形、硬化混凝土的干燥收缩变形、自生收缩变形、温度下降引起的冷缩变形以及碳化引起的碳化收缩变形等五种。
混凝土的收缩变形越大，收缩变形的分布越不均匀，产生的应力也越大。
（4）约束条件的影响。
混凝土结构在变形变化中，必然受到一定的约束，阻碍其自由变形。
这种约束分外约束和内约束（自约束）。
外约束指结构的边界条件，如基础或其他外界因素对结构变形的约束；内约束指结构内部非均匀的温度及收缩分布，各质点变形不均匀而产生的相互约束。
外约束分自由体、全约束（刚性约束）和弹性约束三种。
混凝土的收缩变形因受到约束而产生拉应力，当拉应力超过其相应龄期的抗拉强度时，便引起开裂。
2.2大体积混凝土施工温度控制的本质
就开裂的力学机理和大体积混凝土施工温度控制的目的而言，大体积混凝土施工温度控制的本质是：
控制大体积混凝土结构的温度拉应力不超过混凝土相应龄期的抗拉强度。
2.3温度控制基本工作思路
从温度控制的本质可以看出，大体积混凝土施工的温度控制途径有两个：
一是提高混凝土本身的抗裂性能；二是采取有效措施，降低大体积混凝土施工、养护过程（主要是混凝土的降温过程）中内部及其表面的拉应力（温度应力）。
2.4温度控制目标
大体积混凝土工程施工过程中，在内部因素（温度收缩、水化收缩、弹性模量增长、抗拉强度增长）、外部环境条件（气温变化、风速、湿度）、基础约束条件及施工工艺的共同影响下，可能产生三类裂缝：
表面裂缝、深层裂缝及贯穿裂缝。
为确保大体积混凝土结构施工质量，必须根据工程的实际情况，准确进行温度预测，详尽地进行温度应力分析，合理地制定温控方案，才能避免、防止裂缝的产生。
为此，温度控制的主要目标是——使大体积混凝土内部的温度场变化按照预想的目标发展，具体可分为：
（1）降低最高温度和最高温升；
（2）降低内外温差，使混凝土内温度分布尽量均匀，并控制其温度梯度在允许范围内；（3）控制基础温差，以防止混凝土可能出现的贯穿性裂缝；（4）控制上下层温差，以防止可能出现的层间裂缝；（5）控制混凝土降温速率，以防出现冷击。
2.5温度控制工作流程
大体积混凝土的施工温度控制是一个复杂的系统工程，同时也是一个动态的目标控制问题。
为确保温度控制工作有序、可靠运行，特制定如图2所示的“大体积混凝土施工温度控制工作流程”。
实际施工之前，在全面了解实际工程概况（结构设计、基础地质条件等）、并取得相关资料（混凝土相关物理力学指标、环境气象资料等）的基础上，利用大体积混凝土施工温度控制程序（MIDAS/Civil），根据初拟施工方案进行施工各阶段温度场分析及结构应力检算。
依据结构应力检算结果，决定施工方案（分层、分块浇筑），拟定温度控制指标值，并合理确定应采取的温度控制措施及控制方案。
实际施工过程中，根据温度监测的实测结果，不断调整计算取用参数，修正计算模型，并预测后续各施工阶段结构温度场及应力的变化趋势，调整、完善温控方案，从而实现施工的信息化及大体积混凝土的防裂。
总体而言，大体积混凝土的施工温度控制主要包含三项内容：
计算（预测）——制定温控措施——监测；工作方法上是一个：
计算（预测）——验证（调整）——计算（预测）的动态过程。
图2温度控制工作流程
3温度场及仿真应力分析方法
3.1使用程序特点
温控计算采用韩国有限元桥梁专用程序Midas/Civil进行，该程序用于温控计算的有以下主要特点：
1）该程序可以对施工期温度场及仿真应力场进行模拟分析；
2）能够考虑混凝土分层浇筑方式、入模温度、浇筑层厚度、施工间歇、混凝土及基础弹模变化、外界水温及气温变化、混凝土向各种介质进行热量散发及徐变收缩等复杂因素的模拟，能够模拟实际的施工过程。
3.2基本计算资料
3.2.1气象资料
表2施工期间气温及水温统计资料
时间
类别
最高温度（℃）
最低温度（℃）
平均温度（℃）
两月平均温度（℃）
气温
水温
5月
气温
27.4
8.3
17.8
22.1
19.4
水温
20.3
15.4
17.9
6月
气温
32.6
17.3
26.4
水温
22.5
19.2
20.9
7月
气温
37.0
21.0
31.7
32.7
23.0
水温
24.2
20.3
22.6
8月
气温
39.0
18.8
33.6
水温
24.9
21.6
23.4
3.2.2施工资料
北、南主墩承台混凝土设计强度等级C35，施工时拟分两层浇筑，第一层浇筑3.0m，第二层浇筑4.0m，计算时两层浇筑间隙为14～18天；封底混凝土设计强度等级为C30，桩基为C35水下混凝土。
其中一个主墩承台预计5月初浇注第一次砼，5月底完成第二次砼浇注，另一个主墩承台预计6月初浇注第一次砼，6月底完成第二次砼浇注。
计算时混凝土浇筑温度设为25℃。
承台混凝土冷却水管采用公称直径为φ32mm黑铁管，冷却水为江水，主墩承台共布置5层冷却水管，每层分4段，水管水平间距为1.5m，竖直间距为1.0m。
混凝土施工配合比见表3。
表3主墩承台混凝土施工配合比
C35承台砼每m3混凝土用料
配合比
华新南通P.O42.5水泥
241kg
0.6
南通华瑞Ⅱ级粉煤灰
161kg
0.4
净化后的江水
170kg
0.423
江西赣江中砂
758kg
1.886
南京六合5～25mm玄武岩碎石
1139kg
2.833
江苏建科院JM-9外加剂
6.4kg
0.016
4混凝土材料参数
4.1混凝土材料参数
混凝土材料参数参考有关设计规范和苏通大桥相关资料选取。
ØC35混凝土弹性模量按照如下公式选取：
式中：
τ—龄期；
E0—τ→∞时的最终弹性模量，取E0=3.15×104MPa；
a—常数，取a＝0.09。
Ø水泥水化热
采用指数形式如下：
式中Qt—在龄期τ时的累积水化热，kJ/kg；
Q0—τ→∞时的最终水化热，kJ/kg,Q0取340kJ/kg；
τ—龄期，d；
m、n—常数，对普硅425#水泥m=0.36，n=0.74。
Ø绝热温升
C—包括水泥及粉煤灰的胶凝材料用量（kg/m3）,按配合比取402kg/m3；
p—粉煤灰掺量的百分数,按配合比取0.4；
c—混凝土的比热，0.96kJ/kg·℃；
ρ—混凝土质量密度，取2500kg/m3。
最后求出水泥水化热绝热温升Qt=40.18℃，计算时按40℃考虑。
Ø热源函数
式中：
Qt—水泥水化热绝热温升，40℃；
m—导温系数，取浇筑温度为20℃时为0.362。
Ø混凝土物理、热学性能参数选取见表4。
表4混凝土物理、热学性能参数
混凝土部位
强度
等级
最终弹性模量MPa
泊松比
线膨胀系数1/T
比重kN/m3
比热kJ/kN*T
热传导率kJ/m*hr*T
承台
C35
3.15×104
0.2
1×10-5
25
96
10.6
封底混凝土
C30
3.0×104
0.2
1×10-5
25
96
10.6
桩基
C35
3.15×104
0.2
1×10-5
25
96
10.6
Ø混凝土收缩徐变
收缩徐变参数按Midas/Civil中的中国规范选取，其中混凝土湿度取90％，28天混凝土抗压强度取35MPa，混凝土收缩徐变计算厚度取3.0m，收缩徐变开始龄期取3天。
Ø温度及应力计算从承台首次浇筑开始，计算时间历时35天。
4.2计算条件
1）根据承台的结构特点和所布置的管冷分布规律，取单个承台的1/2进行热力学模拟计算。
2）主墩承台最大平面尺寸52.6m×36.2m，见图1，按3.0+4.0m分两层浇筑，两层浇筑间隔为14～18天。
3）主墩承台钻孔桩视为边界约束；封底混凝土强度等级C30，弹性模量取3.0×104MPa。
4）计算时考虑冷却水管的降温效果，沿厚度方向布置5层管冷，冷却水管水平间距为1.5m。
计算时考虑冷却水管降温效果，取C35混凝土绝热温升40℃。
5）计算时考虑混凝土表面的保温，在风速不超过6m/s时，采用一层塑料薄膜覆盖在吊箱顶部做第一层混凝土的保温养护，同时在砼面洒水保湿。
采用一层塑料薄膜和三层打湿的麻袋覆盖在砼表面做第二层混凝土的保温保湿养护，承台标高+1.0m以下混凝土侧面以及封底混凝土底面按第一类边界条件（和水接触）考虑，承台标高+1.0m以上混凝土侧面按第三类边界条件（向空气散热）考虑；第二层顶面按第三类边界条件（通过保温材料向空气散热）考虑；第二层浇筑前，第一层混凝土顶面按第三类边界条件（向空气散热）考虑，第二层浇筑后层间按混凝土间热传导考虑。
对流系数取值见表5。
表5混凝土散热对流系数
对流系数（J/mm2*hr*[T]）
类别
混凝土间
混凝土和空气
混凝土通过保温层和空气
混凝土和水
数值
0.02106
0.1109
0.01390
12
6）计算时温度取值分两种情况：
5、6月份浇筑温度取25℃，大气温度取两月平均温度22.1℃，水温取两月平均温度19.4℃；7、8月份浇筑温度取25℃，大气温度取两月平均温度32.7℃，水温取两月平均温度23.0℃；
7）计算时将钻孔桩做为约束处理。
8）计算时考虑混凝土的收缩徐变对混凝土应力的影响。
9）计算时考虑新浇混凝土弹性模量随龄期的变化规律，混凝土水化热的反应散热规律。
5计算结果及分析
5.15、6月份施工时
5.1.1网格剖分
取1/2承台进行有限元网格剖分计算，分两层浇筑，主墩承台混凝土的计算模型网格划分图见图3，特征点分布图见图4。
图3有限元网格划分图
图4特征点分布图
5.1.2主要计算结果
5.1.2.1温度场主要特征
混凝土浇筑后，一般在3～5天左右达到峰值，约2天后稳定开始下降，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。
由于混凝土二次浇筑，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。
温度场分布见图5。
图5最大温度场分布图
图6第一层混凝土中心点温度时程特征
图7第二层混凝土中心点温度时程特征
中心点温度温度变化见图6、图7，通过图6可以看出核心点3177和3855的温峰出现在110～150h，其它点稍缓；当第二层混凝土浇筑时，第一层承台靠近上缘的两个点3855和4533的温度会有明显的反弹。
内外温差即核心3177点和4533点的温差最大为21℃，小于内外温差限值25℃，需要对一层混凝土表面做保温处理；核心点3177和底面点2499最大温差9.5℃，小于温差限值25℃。
在图7中可以看出表面点7306和核心点6260的最大温差15℃，小于温差限值25℃。
层间温差13℃，小于层间温差限值15℃；最大降温速率1.0℃/d（表面温度位于短边中心），小于限值2.0～3.0℃/d。
混凝土表面与外界空气的温差为13℃，小于温差限值20℃。
5.1.2.2应力场主要特征
主墩承台混凝土的最大温度主拉应力场分布图见图8。
通过中心特征点应力图图9、图10可以看到，在浇筑混凝土的全程过程中，混凝土拉应力均未超过允许值，抗裂检算满足要求。
图8两层混凝土的最大主拉应力图
图9第一层混凝土中心点应力时程特征
图10第二层混凝土中心点应力时程特征
5.27、8月份施工时
5.2.1温度场主要特征
混凝土浇筑后，一般在3～5天左右达到峰值，约2天后稳定开始下降，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。
由于混凝土二次浇筑，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。
温度场分布见图11。
图11两层浇筑后最大温度图
图12第一层混凝土中心点温度时程特征
图13第二层混凝土中心温度时程特征
中心点温度温度变化见图12、图13，通过图12可以看出核心点3177和3855的温峰出现在110～150h，其它点稍缓；当第二层混凝土浇筑时，第一层承台靠近上缘的两个点3855和4533的温度会有明显的反弹。
内外温差即核心3855点和4533点的温差最大为12℃，小于内外温差限值25℃；核心点3855和底面点2499最大温差11℃，小于温差限值25℃。
在图13中可以看出表面点7306和核心点5737的最大温差10℃小于25℃。
层间温差9℃，小于层间温差限值15℃；最大降温速率1.0℃/d（表面温度位于短边中心），小于限值2.0～3.0℃/d。
混凝土表面与外界空气的温差为13.9℃，小于温差限值20℃。
5.2.2应力场主要特征
主墩承台混凝土的最大温度主拉应力场分布图见图14。
图14两层混凝土的最大主拉应力图
通过中心特征点应力图图15、图16可以看到，在浇筑混凝土的全程过程中，混凝土拉应力均未超过允许值，抗裂检算满足要求。
图15第一层混凝土中心点应力时程特征
图16第二层混凝土中心点应力时程特征
5.3结果分析
根据计算结果可知，按照施工方案承台在5、6月份，7、8月份施工混凝土浇筑后温度和应力满足各项温控指标，混凝土抗裂安全系数均大于1.4，承台混凝土在施工期间不会产生有害温度裂缝，但需要采取一定的养护措施。
6.温度控制标准和温控措施
6.1温度控制标准
混凝土温度控制的原则是:
1）尽量降低混凝土温升、延缓最高温度出现时间；2）降低降温速率；3）降低混凝土中心和表面之间、新老混凝土之间的温差以及控制混凝土表面和气温之间的温差。
温度控制方法需根据气温（季节）、混凝土内部温度、结构尺寸、约束情况、混凝土配合比等具体条件确定。
根据本工程的实际情况，制定如下温控标准：
Ø混凝土中心和表面温差小于25℃；
Ø混凝土表面与外界空气最低温度之差小于20℃；
Ø通过现场测试调整进水流量使温度应力有时间释放，以减少温度裂缝，保证降温速率小于2.0～3.0℃/天。
6.2温控措施
6.2.1混凝土浇筑温度的控制
降低混凝土的浇筑温度对控制混凝土裂缝非常重要，相同的混凝土，入模温度高的温升值比入模温度低的大许多，在混凝土浇筑之前，通过测量水泥、粉煤灰、砂、石、水的温度，可以估算出浇筑温度，若浇筑温度不在25℃以内，则应采取相应措施，严防将骨料置于日晒情况下，将骨料储存地点设置在阴凉的位置。
6.2.2管冷控制
根据混凝土内部温度分布特征，承台内布设5层冷却水管，冷却水管为φ32mm的钢管，水平间距为1.5m，竖直间距为1.0m，每层冷却管分为4段。
主墩承台冷却水管示意图见图17。
1）混凝土浇筑到各层冷水管标高后即开始通水，各层混凝土温度峰值过后即停止通水，通水流量应大于20L/min；
2）为防止上层混凝土浇筑后下层混凝土温度的反弹，采取二次通水冷却，通水时间根据测温结果确定；
3）根据现场情况，合理选择水泵，配备备用水泵，并配备检修人员，以保证冷却系统正常工作。
6.2.3保温养护
为保证混凝土施工质量，控制温度裂缝的产生，采取一层塑料薄膜和三层湿麻袋养护。
第一层混凝土浇筑结束后，在吊箱顶面采用一层塑料薄膜遮盖，进行密封保湿养护，注意在养护期间始终保持砼表面湿润，严格注意早期（前7d）的养护。
按粉煤灰混凝土技术规范要求,粉煤灰混凝土暴露面的潮湿养护时间不得少于14d。
第二层混凝土浇筑结束，表面处理结束后，在砼表面采取一层塑料薄膜加三层湿麻袋覆盖，使其在养护期内始终保持湿润，薄膜和草袋须互相搭接、叠合，对模板侧面水位以上部分养护采用悬挂湿麻袋保温保湿，具体养护结束时间根据测温决定，但也需要按照粉煤灰混凝土技术规范要求,粉煤灰混凝土暴露面的潮湿养护时间不得少于14d，干燥或炎热气候条件下，潮湿养护时间不少于21d。
图17主墩承台冷却水管示意图
7.温度监测的内容及方法
对大体积混凝土进行温度计算，是从理论上掌握大体积混凝土内部温度发展变化情况和温度应力的发展变化情况，实际施工中将会存在一定的差异，主要原因是计算所取用的相关参数及计算模型与大体积混凝土实际施工状态不可能完全一致，这就需要对施工过程进行监测，并将监测结果随时与理论计算及其结果进行比较、分析，及时调整参数取值、修正计算模型并采取相应的温控措施，只有这样才能保证计算、分析结果的准确性及可靠性，并依据计算、分析结果完善温控措施，确保温度应力不超过混凝土的抗拉强度，避免出现温度裂缝。
温度监测主要内容包括：
（1）施工体系测量；
（2）温度场测量；
（3）环境体系温度测量。
7.1施工体系测量
施工体系测量涉及三个方面的主要内容：
混凝土体系、环境体系及施工工艺相关内容。
混凝土体系主要包括：
配合比试验、绝热温升试验、收缩变形试验、弹性模量试验、抗压强度和劈裂强度试验等，以上试验项目由施工单位进行；环境体系主要包括：
当地年气温、日气温、寒潮及风速等的变化规律分析，海水温度的调查和分析等；施工工艺的主体内容包括：
实际施工中的总体施工方案、管冷方案、保温方案及混凝土浇筑方案等。
7.2温度场测量
承台的温度场是指在现场各种环境因素的影响下，已浇筑承台各部位的实际温度及温度分布。
为全面监测混凝土浇筑（分层）、养护过程中承台温度场的变化情况，温度测点的布置应具有代表性，做到既突出重点又兼顾全局，在满足温控要求的前提下以尽可能少的测点获得所需的温度资料。
测点布置时，从高度看，应包括底面、中间（或某一高度断面）和表面三种情况；从平面尺寸考虑，包括边缘及中间两种情况。
本工程测点布置原则：
（1）根据承台对称性的特点，选取承台的1/4块布置测点；
（2）根据温度场的分布规律，对分层高度方向的温度测点间距作了适当调整；（3）充分考虑温控指标的测评。
温度测点布设包括表面温度测点（在承台中心部位短边长边中心线表面以下10cm布置），内部测温点（布置在温升最高处），测点布置见图18，中心特征点温升曲线见图15、图16。
7.3环境体系温度测量
环境体系温度测量包
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