天津路大桥承台大体积混凝土温控设计与仿真分析

1、天津路大桥承台大体积混凝土温控设计与仿真分析董立功 胡茂刚（江苏省交通工程集团有限公司 镇江 212001）摘要 天津路大运河桥主墩承台施工利用有限元分析程序MIDAS/Civil 6.71进行温控设计和仿真分析，指导施工控制，确保了大体积混凝土施工的成功。关键词 大体积混凝土 温控设计 仿真分析一、 基本资料天津路大运河桥主墩承台尺寸为31×12.2×3.5m，体积1323.7m3，混凝土为C25；承台封底为50cm厚C20混凝土。承台混凝土强度等级为C25，试配强度fcu251.645=33.23MPa，混凝土试配优化后选用的配合比为：水：水泥：碎石：黄砂：粉煤灰：外加

2、剂=183：269：709：1200：76：5.865。水泥为海螺牌普通硅酸盐水泥，粉煤灰为华能电厂所产（级）；缓凝型减水剂为江苏建筑科学研究院产。水泥水化热3d：316J/KG，7d：366 J/KG；水化热数据由海螺集团直接提供。气象资料：近日（2007年11月13日-11月19日）清晨气温在12左右，中午最高气温在16左右，24小时温度变化按拟合正弦曲线输入；拟用于冷却的运河水温在15左右（水下60cm处）。大体积混凝土的温度应力是由于浇注混凝土后，水泥的水化反应导致的混凝土体积的膨胀或收缩，在受到内部或外部的约束时而产生的。通常讲的水化热分析应当包括热传导分析和热应力分析两个过程。热传

3、导分析是通过考虑水泥水化反应时产生的热量、对流、传导等因素计算随时间变化的各节点的温度的过程。热应力分析是利用计算得到的各节点的不同时间的温度，考虑随时间和温度变化的材料特性、干缩、随时间和应力变化的徐变等，来计算大体积混凝土各施工阶段的应力的过程。本桥承台大体积混凝土内部温度场、应力场计算以及承台内部的水化热仿真分析，均由MIDAS/Civil 6.71中文版完成。MIDAS/Civil 6.71中文版为有限元分析程序，内含水化热分析包；同时程序内嵌JTG 04(RC) 即公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004中的钢筋混凝土部分（RC），根据对承台内部混凝土水化热的

4、仿真分析结果，优化选用相关参数作为承台温度控制的依据，采取相应的温控措施以避免承台温度裂缝的产生。MIDAS/Civil 6.71中文版用于水化热分析时所需要的参数由两个部分：一部分是外部参数，必须根据外部条件进行输入；另一部分为内部参数，可以选择由程序内嵌的相关规范标准自动引用，也可以根据实际情况选择自行计算输入。二、程序用到的相关参数材料和热特性参数 位 置特 性基 础封底比热（KJ/kg.K）0.960.92容重（KN/m3）24.424热传导率(导热系数)（W/M.K）3.23.14对流系数（KJ/m2.h.0C）外表面12-模板12-外界温度12-浇注温度12-28天抗压强度25-强

5、度发展系数（ACI）a=4.5,b=0.95-28天弹性模量（MPa）2.8×1042.55×104热膨胀系数1.0×10-51.0×10-5每立方米混凝土水泥用量（KN/m3）2.64-热源函数系数K=42,a=0.759表中：1、容重取配合比实际容重；外界温度为几天实测平均值；每立方米混凝土水泥用量为配合比数据换算所得；强度发展系数为程序参照美国混凝土协会标准（ACI）提供的参考值；对流系数为程序提供的参考值；其它数据均为相关规范或手册提供的参考值。2、表中单位均为程序规定的单位。3、热源函数系数中的K为混凝土的最大绝热温升，其计算如下：K=42；a

6、为程序设定的导温系数，与水泥的品种有关，程序推荐取a=0.759。三、施工拟定的条件混凝土浇筑日期承台混凝土施工时拟一次浇筑，13#承台混凝土11月底浇注结束。冷却水管布置承台混凝土冷却水管采用42.3mm的薄壁钢管（壁厚2.0mm），公称直径（内径）为DN=32mm。冷却水为河水，冷却水管布置两层，距承台上下面各为1.0m，两层水管间距1.5m，水管水平间距为1.0m，距外边缘各1m。冷却水流量按照冷却水管的公称直径，管内水取其经济流速V=0.6m/s，则冷却水的对流系数按下式计算：Hp=4.75V+43=328(W/m.K)。混凝土浇筑速度根据设备搅拌以及浇注工艺，混凝土浇筑速度按60m3

7、/h考虑。承台保温混凝土顶面待终凝后覆盖草袋和塑料薄膜进行保温养护（考虑测温方便，顶面不宜覆盖大块油布），混凝土侧面模板外吊挂油布进行保温。四、水化热分析的建模与分析过程流程图见图一所示。五、建立模型承台设计尺寸为31×12.2×3.5m，为便于建模后进行的单元划分，建模尺寸拟定为32×13×3.5m，封底平面尺寸按各边大于承台1m计。由于模型具有对称性，所以建模时按实体的1/4进行建模和分析，这样可以提高建模速度，缩短分析时间，同时也便于查看温度分布和应力分布变化。六、参数的输入与运行结果分析按照上面分析流程的步骤，输入前面所确定的各项参数，运行程序进

8、行计算与分析。所定义一般材料特性定义时间依存特性建立结构模型水化热分析控制zzhi制定义环境温度函数对流系数函数单元对流边界定义固定温度定义热源函数分配热源管冷设置定义施工阶段运行分析查看分析结果图一得到承台内部x-x和y-y中心剖面（即画面上看到的模型的x-x面和y-y面）的温度变化和应力变化等值线：温度1、浇注结束2小时后的等值线2、浇注结束24小时的等值线3、48小时的等值线4、92小时的温度等值线由上述4个时点的温度等值线可以看出，承台混凝土中心温度高于中心周围其它部位的温度，但由于上下布置了两层冷却管，温度分布相对合理。而靠近封底的底层混凝土，由于热量的蓄积作用，温度较高。由图还可以

9、看出，接近承台边缘50cm周边范围的温度与承台顶面50cm范围内的温度接近；承台底面往上50cm位置属高温层，再往上100cm范围为次高温层。故布置温度传感器时应考虑这一现象。承台中间部位的温度分布相对均匀，表明建模模拟管冷荷载的位置以及流量参数是合理的。应力1、2小时的应力等值线（剖面位置同温度等值线）2、24小时的应力等值线3、48小时的应力等值线4、92小时的应力等值线由上面4个时点的应力等值线图可以看出，承台底部往上3/7处水平剖面以上部位主要分布来应力，而此剖面以下则主要压应力。温度与应力变化图表温度曲线上最大点（44.87）为240号节点、时点为240小时，此点在模型图上为封底混凝

10、土底部；次高点发生在320号节点，此点在模型图上位于模型的长边靠近承台底部的位置，距承台中心x方向8m,y方向50cm处（图示点位置）。约在浇注360小时后，温度逐渐趋于平缓。2、应力图表由应力曲线可看处：约在120小时后，承台内部应力逐渐趋于下降，而最高应力曲线，结合模型查找节点位置，均在封底混凝土或封底混凝土表面，这表明由于热量蓄积作用封底内部温度较高，而承台内部由于冷却管的作用温度明显下降，造成了二者之间的温差加大，使得封底混凝土表面产生较大的拉应力。七、温度控制标准根据模拟分析结果，在施工期内为保证承台不出现有害温度裂缝，采取如下标准进行控制：混凝土浇筑温度：指混凝土浇筑后，在第二层混

11、凝土覆盖前，距混凝土表面5cm处的温度（结合本桥施工工艺）。应控制混凝土浇筑温度不超过16；混凝土内外温差混凝土内外温差是指：混凝土内部平均最高温度与接近承台顶面的温度（但不是气温）之差。按照混凝土结构工程施工及验收规范(GB50204-2002)的规定：“大体积混凝土表面和内部温差控制在设计要求的范围内，当设计无具体要求时，温差不宜超过25”。混凝土内部最高温度混凝土最高温度是指浇筑层混凝土温度升高到最高时的断面平均最高温度，而不是指混凝土某一点的最高温度。应控制混凝土内部最高温度不超过50；混凝土最大绝热温升按照实际计算值不大于42。八、温控措施1、优化混凝土配合比，降低水泥水化热温升试配

12、时选择级配良好的砂、石料，减少水泥用量，同时掺假粉煤灰进一步降低水泥用量；降低水泥用量是减少水化热的一个主要途径之一。2、混凝土拌合物混凝土和易性控制混凝土拌合物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3h（按工艺确定）。混凝土出机温度的控制 在混凝土开盘之前，量测水泥、砂、石、水的温度，专门记录，计算其出料温度。如外界气温低于0时，应按混凝土冬季施工要求进行施工。控制混凝土浇筑间歇期 混凝土浇筑应做到连续施工，各作业班组均准备二组人作业。3、冷却水管使用要求冷却水管按照施工方案要求的管径及位置进行安装，考虑管道弯头较多，管道内冷却水的水头损失较大，

13、为保证冷却水的流速，每层冷却管设置各3个进水口和出水口。冷却水管使用及其控制a、冷却水管使用前应进行压水试验，防止管道漏水、阻水；b、混凝土浇筑到各层冷却水管标高后即开始通水，通水时间一般1015天，具体时间可根据检测结果确定。出水口流速应大于60cm/s；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应超过30。温度经过最高点开始下降后，必须控制降温速度，降温速度应<2/d。速度控制通过调节冷却水的流量实现。4、养护混凝土终凝后应在表面洒水养护，同时覆盖草袋或土工布保温，考虑最近节气变化，模板周围应吊挂油布保温。如果内外温差超过温控标准，则增加覆盖草袋和土工布的

14、层数，直至采用碘钨灯照射以增加混凝土表面的温度。若模板高度高出承台较多，可考虑在承台顶面蓄积水进行保温。5、混凝土现场温度监控温度测试内容根据温度分析结果，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，在承台混凝土中布设温度测点。测点沿承台的14部位水平布置，平面共14个测点位置，42只传感器，测点布置示意图见下图：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。现场测试要求各项测试应在混凝土浇筑后立即进行，连续不断。混凝土温度测试，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。测试共安排2组人，每组2个，一个观测，一个记录；确保不温度测试记录的完整可靠。记录数据可作为优化12#主墩承台温控设计的依据。监测所用仪器 温度传感器为PN结温度传感器，温度检测仪采用单点检测控制仪，温度传感器的主要技术性能：测温范围：-10150；工作误差：±1 分辨率： 1。九、效果与结论承台浇注完成后，按照温控设计所确定的参数对承台混凝土内部温升进行