朝天门长江大桥主墩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月重庆朝天门长江大桥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1目录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：重庆朝天门长江大桥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21．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。重庆朝天门长江大桥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36）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月份重庆朝天门长江大桥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43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）3209665810741985.44重庆朝天门长江大桥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5质量比1.00.32.063.360.480.0172.3.3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（℃）1d3d7d604014118623944.03．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3－13d7d28d60d90d120d1.352.273.293.473.693.87C35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.℃）7.70.00492.7C35混凝土自身体积变形（×10－6）表3－33d7d14d21d28d60d90d180d2.1115.5418.036.09-3.89-7.47-12.07-29.30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：重庆朝天门长江大桥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6n0)((3-1)式中：0－最终绝热温升，－时间，n－参数。混凝土的0和n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)1()(10eEEE（3-2）式中：0E为初始弹模，1E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）：)1(14)1)(602()1)(303(),()(025.0025.0)(5.091.0)(04.08.1ttteeeetC(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。重庆朝天门长江大桥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7第一层承台混凝土最大温度主拉应力（MPa）表4-1龄期(d)7142128456090120应力0.981.261.391.681.952.232.472.73第二层承台混凝土最大温度主拉应力（MPa）表4-2龄期(d)71421284560902.4应力0.871.051.201.431.772.062.182.39第三层承台混凝土最大温度主拉应力（MPa）表4-3龄期(d)7142128456090120应力0.911.021.051.401.772.022.302.514.2.3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)714284560120C35砼劈裂抗拉强度（MPa）1.492.573.213.373.483.71承台砼内部最大拉应力（MPa）0.981.441.772.162.492.72抗裂安全系数1.521.781.811.561.391.364.3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，重庆朝天门长江大桥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8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)7142128456090120应力1.031.721.962.192.472.732.903.09第二层承台混凝土最大温度主拉应力（MPa）表4-6龄期(d)71421284560902.4应力0.881.491.701.952.362.482.662.79第三层承台混凝土最大温度主拉应力（MPa）表4-7龄期(d)7142128456090120应力0.931.611.852.092.462.572.862.914..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)714284560120C35砼劈裂抗拉强度（MPa）1.492.573.213.373.483.71承台砼内部最大拉应力（MPa）1.031.722.192.472.733.09抗裂安全系数1.451.491.461.361.271.20重庆朝天门长江大桥主墩承台砼温控方案中港二航局重庆朝天门长江大桥项