承台大体积混凝土温控方案

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

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

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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。

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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17.7 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表2-1。

2002年1～12月气温统计资料 表2-1 时 间 1月份 2月份 最高温度（℃） 最低温度（℃） 平均温度（℃） 备注 2 中港二航局重庆朝天门长江大桥项目部

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3月份 4月份 5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

施工月份 施工月份 施工月份 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

水泥材料名称 （kg/m3） 粉煤灰（kg/m3） 砂 （kg/m3） 石 （kg/m3） 水 （kg/m3） 外加剂（kg/m3） 2 中港二航局重庆朝天门长江大桥项目部

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每m3用量（kg） 质量比 320 1.0 96 0.3 658 2.06 1074 3.36 198 0.48 5.44 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（％） 60 粉煤灰掺量（％） 40 1d 141 水泥水化热值(kJ/kg) 3d 186 7d 239 绝热温升（℃） 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（×104 MPa） 表3－1

3d 1.35 7d 2.27 28d 3.29 60d 3.47 90d 3.69 120d 3.87 C35混凝土热学参数 表3－2

线胀系数（10－6／℃） 7.7 导温系数（m2/h） 0.0049 导热系数（kcal/m.h.℃） 2.7 C35混凝土自身体积变形（×10－6） 表3－3 3d 2.11 7d 15.54 14d 18.03 21d 6.09 28d -3.89 60d -7.47 90d -12.07 180d -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：

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3.2.1绝热温升

绝热温升公式取双曲线函数： ()0 (3-1) n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 E()E0E1(1e) （3-2）

式中：E0 为初始弹模，E1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）：

C(t,)(3301.8)(1e0.04(t))(2600.91)(1e0.5(t))14e0.025(1e0.025(t))

 (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。

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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) 应力 7 0.98 14 1.26 21 1.39 28 1.68 45 1.95 60 2.23 90 2.47 120 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) 应力 7 0.87 14 1.05 21 1.20 28 1.43 45 1.77 60 2.06 90 2.18 2.4 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) 应力

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 3.71 1.49 2.57 3.21 3.37 3.48 7 0.91 14 1.02 21 1.05 28 1.40 45 1.77 60 2.02 90 2.30 120 2.51 C35砼劈裂抗拉强度（MPa） 承台砼内部最大拉应力（MPa） 0.98 1.44 1.77 2.16 2.49 2.72 2 中港二航局重庆朝天门长江大桥项目部

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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) 应力 7 1.03 14 1.72 21 1.96 28 2.19 45 2.47 60 2.73 90 2.90 120 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) 应力 7 0.88 14 1.49 21 1.70 28 1.95 45 2.36 60 2.48 90 2.66 2.4 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) 应力 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

7 0.93 14 1.61 21 1.85 28 2.09 45 2.46 60 2.57 90 2.86 120 2.91 2 中港二航局重庆朝天门长江大桥项目部

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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 3.71 1.49 2.57 3.21 3.37 3.48 C35砼劈裂抗拉强度（MPa） 承台砼内部最大拉应力（MPa） 抗裂安全系数 5．温控标准和温控措施 5.1温度控制标准

1.03 1.72 2.19 2.47 2.73 3.09 1.45 1.49 1.46 1.36 1.27 1.20 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。

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（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

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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

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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/℃。

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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 自卸汽车 自卸汽车 自卸汽车 长方形吊斗 长方形吊斗 园柱形吊斗 泵送 混凝土容积（m3） 1.0 1.4 2.0 0.3 1.6 1.6 ／

A 0.0040 0.0037 0.0030 0.0022 0.0013 0.0009 0.0017 2 中港二航局重庆朝天门长江大桥项目部

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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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