天津路大橋承臺大體積混凝土溫控設(shè)計(jì)與仿真分析

1、天津路大橋承臺大體積混凝土溫控設(shè)計(jì)與仿真分析董立功 胡茂剛（江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司 鎮(zhèn)江 212001）摘要 天津路大運(yùn)河橋主墩承臺施工利用有限元分析程序MIDAS/Civil 6.71進(jìn)行溫控設(shè)計(jì)和仿真分析，指導(dǎo)施工控制，確保了大體積混凝土施工的成功。關(guān)鍵詞 大體積混凝土 溫控設(shè)計(jì) 仿真分析一、 基本資料天津路大運(yùn)河橋主墩承臺尺寸為31×12.2×3.5m，體積1323.7m3，混凝土為C25；承臺封底為50cm厚C20混凝土。承臺混凝土強(qiáng)度等級為C25，試配強(qiáng)度fcu251.645=33.23MPa，混凝土試配優(yōu)化后選用的配合比為：水：水泥：碎石：黃砂：粉煤灰：外加

2、劑=183：269：709：1200：76：5.865。水泥為海螺牌普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為華能電廠所產(chǎn)（級）；緩凝型減水劑為江蘇建筑科學(xué)研究院產(chǎn)。水泥水化熱3d：316J/KG，7d：366 J/KG；水化熱數(shù)據(jù)由海螺集團(tuán)直接提供。氣象資料：近日（2007年11月13日-11月19日）清晨氣溫在12左右，中午最高氣溫在16左右，24小時(shí)溫度變化按擬合正弦曲線輸入；擬用于冷卻的運(yùn)河水溫在15左右（水下60cm處）。大體積混凝土的溫度應(yīng)力是由于澆注混凝土后，水泥的水化反應(yīng)導(dǎo)致的混凝土體積的膨脹或收縮，在受到內(nèi)部或外部的約束時(shí)而產(chǎn)生的。通常講的水化熱分析應(yīng)當(dāng)包括熱傳導(dǎo)分析和熱應(yīng)力分析兩個(gè)過程。熱傳

3、導(dǎo)分析是通過考慮水泥水化反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的熱量、對流、傳導(dǎo)等因素計(jì)算隨時(shí)間變化的各節(jié)點(diǎn)的溫度的過程。熱應(yīng)力分析是利用計(jì)算得到的各節(jié)點(diǎn)的不同時(shí)間的溫度，考慮隨時(shí)間和溫度變化的材料特性、干縮、隨時(shí)間和應(yīng)力變化的徐變等，來計(jì)算大體積混凝土各施工階段的應(yīng)力的過程。本橋承臺大體積混凝土內(nèi)部溫度場、應(yīng)力場計(jì)算以及承臺內(nèi)部的水化熱仿真分析，均由MIDAS/Civil 6.71中文版完成。MIDAS/Civil 6.71中文版為有限元分析程序，內(nèi)含水化熱分析包；同時(shí)程序內(nèi)嵌JTG 04(RC) 即公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D62-2004中的鋼筋混凝土部分（RC），根據(jù)對承臺內(nèi)部混凝土水化熱的

4、仿真分析結(jié)果，優(yōu)化選用相關(guān)參數(shù)作為承臺溫度控制的依據(jù)，采取相應(yīng)的溫控措施以避免承臺溫度裂縫的產(chǎn)生。MIDAS/Civil 6.71中文版用于水化熱分析時(shí)所需要的參數(shù)由兩個(gè)部分：一部分是外部參數(shù)，必須根據(jù)外部條件進(jìn)行輸入；另一部分為內(nèi)部參數(shù)，可以選擇由程序內(nèi)嵌的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)自動引用，也可以根據(jù)實(shí)際情況選擇自行計(jì)算輸入。二、程序用到的相關(guān)參數(shù)材料和熱特性參數(shù) 位 置特 性基 礎(chǔ)封底比熱（KJ/kg.K）0.960.92容重（KN/m3）24.424熱傳導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))（W/M.K）3.23.14對流系數(shù)（KJ/m2.h.0C）外表面12-模板12-外界溫度12-澆注溫度12-28天抗壓強(qiáng)度25-強(qiáng)

5、度發(fā)展系數(shù)（ACI）a=4.5,b=0.95-28天彈性模量（MPa）2.8×1042.55×104熱膨脹系數(shù)1.0×10-51.0×10-5每立方米混凝土水泥用量（KN/m3）2.64-熱源函數(shù)系數(shù)K=42,a=0.759表中：1、容重取配合比實(shí)際容重；外界溫度為幾天實(shí)測平均值；每立方米混凝土水泥用量為配合比數(shù)據(jù)換算所得；強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)為程序參照美國混凝土協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（ACI）提供的參考值；對流系數(shù)為程序提供的參考值；其它數(shù)據(jù)均為相關(guān)規(guī)范或手冊提供的參考值。2、表中單位均為程序規(guī)定的單位。3、熱源函數(shù)系數(shù)中的K為混凝土的最大絕熱溫升，其計(jì)算如下：K=42；a

6、為程序設(shè)定的導(dǎo)溫系數(shù)，與水泥的品種有關(guān)，程序推薦取a=0.759。三、施工擬定的條件混凝土澆筑日期承臺混凝土施工時(shí)擬一次澆筑，13#承臺混凝土11月底澆注結(jié)束。冷卻水管布置承臺混凝土冷卻水管采用42.3mm的薄壁鋼管（壁厚2.0mm），公稱直徑（內(nèi)徑）為DN=32mm。冷卻水為河水，冷卻水管布置兩層，距承臺上下面各為1.0m，兩層水管間距1.5m，水管水平間距為1.0m，距外邊緣各1m。冷卻水流量按照冷卻水管的公稱直徑，管內(nèi)水取其經(jīng)濟(jì)流速V=0.6m/s，則冷卻水的對流系數(shù)按下式計(jì)算：Hp=4.75V+43=328(W/m.K)。混凝土澆筑速度根據(jù)設(shè)備攪拌以及澆注工藝，混凝土澆筑速度按60m3

7、/h考慮。承臺保溫混凝土頂面待終凝后覆蓋草袋和塑料薄膜進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)（考慮測溫方便，頂面不宜覆蓋大塊油布），混凝土側(cè)面模板外吊掛油布進(jìn)行保溫。四、水化熱分析的建模與分析過程流程圖見圖一所示。五、建立模型承臺設(shè)計(jì)尺寸為31×12.2×3.5m，為便于建模后進(jìn)行的單元劃分，建模尺寸擬定為32×13×3.5m，封底平面尺寸按各邊大于承臺1m計(jì)。由于模型具有對稱性，所以建模時(shí)按實(shí)體的1/4進(jìn)行建模和分析，這樣可以提高建模速度，縮短分析時(shí)間，同時(shí)也便于查看溫度分布和應(yīng)力分布變化。六、參數(shù)的輸入與運(yùn)行結(jié)果分析按照上面分析流程的步驟，輸入前面所確定的各項(xiàng)參數(shù)，運(yùn)行程序進(jìn)

8、行計(jì)算與分析。所定義一般材料特性定義時(shí)間依存特性建立結(jié)構(gòu)模型水化熱分析控制zzhi制定義環(huán)境溫度函數(shù)對流系數(shù)函數(shù)單元對流邊界定義固定溫度定義熱源函數(shù)分配熱源管冷設(shè)置定義施工階段運(yùn)行分析查看分析結(jié)果圖一得到承臺內(nèi)部x-x和y-y中心剖面（即畫面上看到的模型的x-x面和y-y面）的溫度變化和應(yīng)力變化等值線：溫度1、澆注結(jié)束2小時(shí)后的等值線2、澆注結(jié)束24小時(shí)的等值線3、48小時(shí)的等值線4、92小時(shí)的溫度等值線由上述4個(gè)時(shí)點(diǎn)的溫度等值線可以看出，承臺混凝土中心溫度高于中心周圍其它部位的溫度，但由于上下布置了兩層冷卻管，溫度分布相對合理。而靠近封底的底層混凝土，由于熱量的蓄積作用，溫度較高。由圖還可以

9、看出，接近承臺邊緣50cm周邊范圍的溫度與承臺頂面50cm范圍內(nèi)的溫度接近；承臺底面往上50cm位置屬高溫層，再往上100cm范圍為次高溫層。故布置溫度傳感器時(shí)應(yīng)考慮這一現(xiàn)象。承臺中間部位的溫度分布相對均勻，表明建模模擬管冷荷載的位置以及流量參數(shù)是合理的。應(yīng)力1、2小時(shí)的應(yīng)力等值線（剖面位置同溫度等值線）2、24小時(shí)的應(yīng)力等值線3、48小時(shí)的應(yīng)力等值線4、92小時(shí)的應(yīng)力等值線由上面4個(gè)時(shí)點(diǎn)的應(yīng)力等值線圖可以看出，承臺底部往上3/7處水平剖面以上部位主要分布來應(yīng)力，而此剖面以下則主要壓應(yīng)力。溫度與應(yīng)力變化圖表溫度曲線上最大點(diǎn)（44.87）為240號節(jié)點(diǎn)、時(shí)點(diǎn)為240小時(shí)，此點(diǎn)在模型圖上為封底混凝

10、土底部；次高點(diǎn)發(fā)生在320號節(jié)點(diǎn)，此點(diǎn)在模型圖上位于模型的長邊靠近承臺底部的位置，距承臺中心x方向8m,y方向50cm處（圖示點(diǎn)位置）。約在澆注360小時(shí)后，溫度逐漸趨于平緩。2、應(yīng)力圖表由應(yīng)力曲線可看處：約在120小時(shí)后，承臺內(nèi)部應(yīng)力逐漸趨于下降，而最高應(yīng)力曲線，結(jié)合模型查找節(jié)點(diǎn)位置，均在封底混凝土或封底混凝土表面，這表明由于熱量蓄積作用封底內(nèi)部溫度較高，而承臺內(nèi)部由于冷卻管的作用溫度明顯下降，造成了二者之間的溫差加大，使得封底混凝土表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。七、溫度控制標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)模擬分析結(jié)果，在施工期內(nèi)為保證承臺不出現(xiàn)有害溫度裂縫，采取如下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制：混凝土澆筑溫度：指混凝土澆筑后，在第二層混

11、凝土覆蓋前，距混凝土表面5cm處的溫度（結(jié)合本橋施工工藝）。應(yīng)控制混凝土澆筑溫度不超過16；混凝土內(nèi)外溫差混凝土內(nèi)外溫差是指：混凝土內(nèi)部平均最高溫度與接近承臺頂面的溫度（但不是氣溫）之差。按照混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范(GB50204-2002)的規(guī)定：“大體積混凝土表面和內(nèi)部溫差控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，當(dāng)設(shè)計(jì)無具體要求時(shí)，溫差不宜超過25”。混凝土內(nèi)部最高溫度混凝土最高溫度是指澆筑層混凝土溫度升高到最高時(shí)的斷面平均最高溫度，而不是指混凝土某一點(diǎn)的最高溫度。應(yīng)控制混凝土內(nèi)部最高溫度不超過50；混凝土最大絕熱溫升按照實(shí)際計(jì)算值不大于42。八、溫控措施1、優(yōu)化混凝土配合比，降低水泥水化熱溫升試配

12、時(shí)選擇級配良好的砂、石料，減少水泥用量，同時(shí)摻假粉煤灰進(jìn)一步降低水泥用量；降低水泥用量是減少水化熱的一個(gè)主要途徑之一。2、混凝土拌合物混凝土和易性控制混凝土拌合物應(yīng)具有良好的粘聚性，不離析、不泌水，初始坍落度應(yīng)控制在16-18cm，初凝時(shí)間應(yīng)大于3h（按工藝確定）。混凝土出機(jī)溫度的控制 在混凝土開盤之前，量測水泥、砂、石、水的溫度，專門記錄，計(jì)算其出料溫度。如外界氣溫低于0時(shí)，應(yīng)按混凝土冬季施工要求進(jìn)行施工?？刂苹炷翝仓g歇期 混凝土澆筑應(yīng)做到連續(xù)施工，各作業(yè)班組均準(zhǔn)備二組人作業(yè)。3、冷卻水管使用要求冷卻水管按照施工方案要求的管徑及位置進(jìn)行安裝，考慮管道彎頭較多，管道內(nèi)冷卻水的水頭損失較大，

13、為保證冷卻水的流速，每層冷卻管設(shè)置各3個(gè)進(jìn)水口和出水口。冷卻水管使用及其控制a、冷卻水管使用前應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，防止管道漏水、阻水；b、混凝土澆筑到各層冷卻水管標(biāo)高后即開始通水，通水時(shí)間一般1015天，具體時(shí)間可根據(jù)檢測結(jié)果確定。出水口流速應(yīng)大于60cm/s；應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)出水溫度，在保證冷卻水管進(jìn)水溫度與混凝土內(nèi)部最高溫度之差不應(yīng)超過30。溫度經(jīng)過最高點(diǎn)開始下降后，必須控制降溫速度，降溫速度應(yīng)<2/d。速度控制通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量實(shí)現(xiàn)。4、養(yǎng)護(hù)混凝土終凝后應(yīng)在表面灑水養(yǎng)護(hù)，同時(shí)覆蓋草袋或土工布保溫，考慮最近節(jié)氣變化，模板周圍應(yīng)吊掛油布保溫。如果內(nèi)外溫差超過溫控標(biāo)準(zhǔn)，則增加覆蓋草袋和土工布的

14、層數(shù)，直至采用碘鎢燈照射以增加混凝土表面的溫度。若模板高度高出承臺較多，可考慮在承臺頂面蓄積水進(jìn)行保溫。5、混凝土現(xiàn)場溫度監(jiān)控溫度測試內(nèi)容根據(jù)溫度分析結(jié)果，反映各層混凝土的溫控效果，以便出現(xiàn)異常情況及時(shí)采取有效措施，在承臺混凝土中布設(shè)溫度測點(diǎn)。測點(diǎn)沿承臺的14部位水平布置，平面共14個(gè)測點(diǎn)位置，42只傳感器，測點(diǎn)布置示意圖見下圖：在監(jiān)測混凝土溫度變化的同時(shí)，還應(yīng)監(jiān)測氣溫、冷卻水管進(jìn)、出口水溫、混凝土澆筑溫度等?，F(xiàn)場測試要求各項(xiàng)測試應(yīng)在混凝土澆筑后立即進(jìn)行，連續(xù)不斷?；炷翜囟葴y試，峰值出現(xiàn)以前每2h監(jiān)測一次，峰值出現(xiàn)后每4h監(jiān)測一次，持續(xù)5天，然后轉(zhuǎn)入每天測2次，直到溫度變化基本穩(wěn)定。測試共安排2組人，每組2個(gè)，一個(gè)觀測，一個(gè)記錄；確保不溫度測試記錄的完整可靠。記錄數(shù)據(jù)可作為優(yōu)化12#主墩承臺溫控設(shè)計(jì)的依據(jù)。監(jiān)測所用儀器 溫度傳感器為PN結(jié)溫度傳感器，溫度檢測儀采用單點(diǎn)檢測控制儀，溫度傳感器的主要技術(shù)性能：測溫范圍：-10150；工作誤差：±1 分辨率： 1。九、效果與結(jié)論承臺澆注完成后，按照溫控設(shè)計(jì)所確定的參數(shù)對承臺混凝土內(nèi)部溫升進(jìn)行