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1、重庆朝天门长江大桥主墩承台砼温控方案 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：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25.0m19.4m，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
2、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
3、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：容易适应不规则边界；在温度梯度大的地方，可局部加密网格；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）
4、提供三种单元类型：820变节点六面体等参元，615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
5、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59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17.7 mb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
6、表2-1。 2002年112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35月份施工，混凝土浇筑温度分别为1525。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50mm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
7、土原材料水泥：重庆拉法基PO42.5水泥；粉煤灰：珞璜级粉煤灰；黄砂：渠河/长江混合砂，细度模数为2.4； 碎石：混合山碎石，产地：白市驿；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
8、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（104 MPa） 表313d7d28d60d90d120d1.352.273.293.473.693.87 C35混凝土热学参数 表32线胀系数（106）导温系数（m2/h）导热系数（kcal/m.h.）7.70.00492.7 C35混凝土自身体积变形（106） 表333d7d14d21
9、d28d60d90d180d2.1115.5418.036.09-3.89-7.47-12.07-29.30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： (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：10-6MPa）： (
10、3-3) 4计算结果及分析4.1网格剖分、边界条件及荷载取14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23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
11、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1520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41、42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)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
12、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.
13、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23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1520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
14、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45、46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)714212845
15、6090120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）1.031.7
16、22.192.472.733.09抗裂安全系数1.451.491.461.361.271.205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
17、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，
18、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-
19、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
20、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32mm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1015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
21、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
22、：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14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
23、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PN4C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：-50150； 工作误差：0.5; 分辨率：0.1; 平均灵敏度：-2.1mv/。 14中港二航局重庆朝天门长江大桥项目部 附1：混凝土的出机温度和浇筑温度1混凝土的出机温度T0T0= （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；
24、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)(1+2+3+.+n)式中：Tn混凝土运输和浇筑时的气温： 1、2、3、n-有关的系数，其数值如下： （1）混凝土装、卸和转运，每次=0.03 （2）混凝土运输时=A，为运输时间以分钟计，A参照下表； （3）浇筑过程中=0.003, 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1.00.0040自卸汽车1.40.0037自卸汽车2.00.0030长方形吊斗0.30.0022长方形吊斗1.60.0013园柱形吊斗1.60.0009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：