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承台大体积混凝土温控方案教程文件
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:
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