1、庙嘴三江桥主塔承台大体积混凝土温度裂缝控制摘要：针对庙嘴三江桥主塔承台的结构特点，根据现场资料及混凝土物理、热学性能的试验结果，采用有限元计算分析主塔承台施工期内部温度场及应力场，制定温控标准。对承台浇筑温度、混凝土内部温度场进行了跟踪监控，并根据监测数据实时调整温控措施。通过监测数据与计算结果比较分析，温度监测结果与计算较为吻合。从现场情况来看，未出现裂缝，达到了预期的温控目标。 关键词：承台；大体积混凝土；温度裂缝控制 中图分类号： TV544 文献标识码：A Abstract:Based on the structural characteristics of MiaoZuiSanJin
2、g bridge main tower caps,according to the field data and the concrete physical or thermal performance test results,used the finite element analysis and calculation of the main tower caps internal temperature and stress field during the construction ,set the temperature control standard.pile caps of
3、the pouring temperature and internal temperature was tracked and monitored,and according to the monitoring results of real-time adjustment of temperature measures.Though comparison and analysis of monitoring data and calculated results,both are in good agreement.From the field,the pile caps did not
4、appear harmful crack,reached the expected target. Keywords:pile caps ; mass concrete; control of thermal cracking 1、项目概况 1.1 工程概况 庙嘴三江桥位于湖北省宜昌市城区，采用主跨 210m 中央索面高低塔混凝土梁斜拉桥，一跨过三江。主桥桥长 378m，桥跨布置为（39+73+210+56）m。SJ3#主塔承台位于南岸（西坝）护坡面以下，平面尺寸为 19.2m14.2m，厚度为 5.0m，承台顶标高+47.953m；SJ4#主塔承台为八边形截面，位于江北岸护坡内，平面尺寸为
5、18.412.4m，厚度为4.0m，承台顶标高为+47.861m。两承台均采用坡面截槽开挖方式，形成承台基坑，江北岸和西坝岸基坑深 1012m，坑底低于多年主汛期（69月）水位。承台采用复合围堰，底部为 1.3m 后混凝土封底。下段为矩形钢筋混凝土围堰，高 2.55m，直接作为承台下段外模。上段设双壁钢围堰作为上部模板。单次浇筑最大方量为 1363m3。承台平面结构图见图 1-1。 图 1-1 承台平面结构图 1.2 项目重难点 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
6、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，降温引起的变形受基础约束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。在承台施工过程中温度裂缝的控制存在以下难点： （1）浇筑时间在 7 月初，此时气温较高，浇筑温度的控制难度大。 （2）承台混凝土设计方量为 1363m3，承台尺寸较大，温控防裂难度较大。 （3）宜昌地区 7 月经常有暴雨，暴雨过后常伴有降温，且早晚温差较大，内
7、表温差控制难度大，在早龄期显得尤为突出。另外，混凝土浇筑方量大，浇筑时间长，浇筑期间出现大雨几率大，易对混凝土品质造成影响。 （4）养护期有可能存在承台淹没过水情况，混凝土表面内外温差大易出现骤冷情况。 1.3 项目研究思路 为研究大体积混凝土施工水化热变化规律，确保施工质量，避免产生温度裂缝，确保大桥的使用寿命和安全，项目部从以下两方面入手，展开大体积混凝凝土施工的关键技术研究： （1）针对庙嘴大桥主塔承台的结构特点，根据现场资料及混凝土物理、热学性能的经验取值，仿真计算主塔承台施工期混凝土内部温度场及应力场，并根据计算结果制定了不出现有害温度裂缝的温控标准和相应的温控措施。 （2）对承台施
8、工期浇筑温度、混凝土内部温度场进行了跟踪监控，并根据监控数据实时调整温控措施，严格执行温控标准，为承台大体积混凝土的温控施工质量提供有力保障。 2 承台大体积混凝土温度、应力场有限元分析 2.1 基本计算资料 国内目前关于大体积混凝土内部温度、应力场的计算分析理论和应用软件都比较成熟，如 Midas、Ansys 等，计算结果与现场实际情况的吻合程度关键取决于参数的选取，国内相关规范对于混凝土弹性模量、劈裂抗拉强度等参数取值过于保守，工程实体构件中弹性模量、劈裂抗拉强度值往往远大于规范取值，因此本项目为尽可能符合工程实际，参数取值均参照实体构件试验结果取值，以下是计算基本资料及参数取值情况。 （
9、1）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C35，承台于 2013 年 7 月初施工，浇筑温度取值 20（通过预冷骨料与采用低温水拌合） 。施工时承台一层浇筑完成 5 米高，布置七层冷却水管，30 小时完成。下塔柱 1 米高实心段（共计 2 米高实心段）与承台一次浇筑完成。 （2）混凝土参数 混凝土配合比及劈裂强度试验值见表 2-1、表 2-2： 表 2-1C35 混凝土配合比 强度等级 水泥 粉煤灰 砂 石 水 外加剂 C35 250 140 800 1105 145 2.45 表 2-2C40 混凝土劈裂强度参考值(MPa) 龄期(d) 3 7 28 60 C
10、35 混凝土 1.8 2.8 3.9 4.2 混凝土绝热温升采用双层独立控温混凝土绝热温升测试仪 FH-ATRD进行绝热温升试验，按 7 天试验结果取值，见表 2-3。 表 2-3C35 混凝土物理热学参数 物理热学参数 最终弹模 MPa 热胀系数 1/ 导热系数 kJ/(md) 比热 kJ/kg 绝热温升 C35 4.0104 8.010-6 261.5 0.96 40.1 2.2 温度场、应力场有限元计算分析 （1）温度场的有限元法原理 混凝土浇筑完成后，混凝土在水泥水化作用下，可以看成有内部热源强度，具有瞬态温度场的连续均匀介质。其瞬态温度场的计算实质是三维非稳态导热方程在特定边界条件和
11、初始条件的求解。导热方程为： 式 2-1 式 2-1 中：为混凝土的导温系数(m2h)；Q 为在单位时间内单位体积中发出的热量；c 为混凝土的比热(KJ(kg 。C)； 为时间； 为混凝土容重(kgm3)；T 为瞬态温度；由于水化热作用，在绝热条件下混凝土的温度上升速度为： 式 2-2 式 2-2 中： 为混凝土的绝热温升；W 为水泥用量；q 为单位重量水泥在单位时间内放出的水化热；由式(2)，热传导方程可改写为： 式 2-3 要求得热传导方程确定的解，必须知道方程的初始条件和边界条件。（2）导热方程的初始条件 初始条件即混凝土结构的初始温度状态，或作为分析用的某一特定温度分布状态，一般可选择
12、在混凝土结构整体温度分布较均匀的时刻，对自然环境条件变化引起的日照温度作用，根据施工经验表明，这一时刻约在日出前的 1h 左右。初始条件为在初始瞬时物体内部的温度分布规律，有如下有 2 种情况： (a) 时，温度场是坐标的已知函数，式 2-4 (b) 时，初始的温度分布是常数，式 2-5 边界条件为混凝土表面与周围介质(比如空气或水)之间温度相互作用的规律。通常有 4 类边界条件。 第 l 类边界条件：混凝土表面温度是时间的已知函数： 式 2-6 第 2 类边界条件：混凝土表面的热流量是时间的已知函数： 式 2-7 其中，n 为表面外法线方向若表明表面是绝热的； 第 3 类边界条件：当混凝土与
13、气体接触时，经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度 T 和气温 T 之差成正比，即 式 2-8 其中 为表面放热系数，当表面放热系数 趋于无限大时，T=Ta，即转化为第 1 类边界条件；当表面放热系数 =0 时， ，又转化为绝热条件。第 3 类边界条件表示固体与流体(如空气)接触时的传热条件；第 4 类边界条件：当 2 种不同的固体接触时，如果接触良好，则在接触面上温度和热流量都是连续的，边界条为： ， ，如果 2 种不同的固体接触不良，则温度是不连续的， ，这时需要引入接触热阻的概念。 （3）模型的建立与边界条件 3 号墩承台为距型，平面尺寸为 19.2m14.2m5m，一次浇筑完成。根据结
14、构对称性，取承台混凝土 1/4 进行温度应力计算，计算模型网格剖分图见图 2-1。 图 2-1 承台 1/4 块有限元剖分图 计算时考虑冷却水管降温效果，冷却水管采用 50mm3m 的铁管，承台布置 7 层，水管水平间距为 1m，水管垂直间距为 0.7m。 计算时考虑徐变对混凝土应力的影响，混凝土的徐变取值按经验数值模型，如下式 2-9 所示： 式 2-9 式中：C10.23/E2，C20.52/E2，E2 为最终弹模。 温度及温度应力计算从混凝土浇筑开始，模拟之后半年的温度应力发展。 计算承台温度时，取下述两种边界条件： 承台底部 1.3m 厚 C30 封底混凝土及 12 根 2.5m 钻孔
15、桩，桩基混凝土为 C25；侧面采用双壁钢围堰施工，其等效保温系数取为 1840 kJ/(m2d)。因此底部和侧面温度不随气温变化，按第一类边界条件处理：； 承台与空气接触而按第三类边界处理，气温按当地实测平均温度，承台混凝土初始温度取入模温度。因混凝土浇筑完毕后即覆盖聚乙烯泡沫板养生，按第三类边界条件处理，但采用等效放热系数： 式中：为等效放热系数，为放热系数，为保温层厚度，为保温材料导热系数。 （4）温控计算结果 在以上设定条件下，承台第一层内部最高温度计算值为 60.1，第二层内部最高温度计算值为 69.8，温峰出现时间约为浇筑后第 23 天。承台内部最高温度包络图见图 2-2；承台温度应
16、力场分布见图 2-3，应力计算结果见表 2-4。 图 2-2 承台温度应力场分布图（单位：Pa） 表 2-4 承台混凝土温度应力场计算结果 龄期 3d 7d 28d 半年 第一层应力(MPa) 1.04 1.85 2.86 2.71 第二层应力(MPa) 1.56 1.35 2.42 2.19 最小安全系数 1.15 1.51 1.36 1.55 3、温控标准 根据温控仿真计算结果及规范要求，提出以下对主塔承台不出现有害温度裂缝的温控标准。见表 3-1。 表 3-1 各层混凝土温控标准 构件 浇筑温度() 内部温度() 内表温差() 冷却水进出水温差() 降温速率(/d) 承台 第一层 30
17、70 25 15 2.5 第二层 4、现场温控措施 大体积混凝土温控是对混凝土质量的全面控制。为达到温控标准的要求，项目部采取了一系列温控措施进行有效监控，包括混凝土配合比优化，浇筑温度的控制，混凝土拌和、运输、浇筑、振捣到通水，养护，保温每一施工环节。具体温控措施如下： (1)混凝土配合比优化 混凝土物理、热学性能是影响大体积混凝土温控效果最基本、最重要的因素。大体积混凝土配合比设计应以抗裂为核心，并满足水化热低、可泵性好、体积稳定性好及耐久性优良等要求。 庙嘴大桥承台混凝土配比从多方面进行了优化，在原材料的选择上，项目部实验室对几家材料供应商进行了检测，严格把关，最后确定了稳定优质的材料来
18、源。为了有效降低混凝土水化放热温升引起的体积形变以及混凝土内部温度梯度产生的应力，混凝土配比中从降低混凝土绝热温升出发，在保证早期强度的基础上，减少了水泥用量，最终确定配合比胶材用量为 426kg/m3，粉煤灰的掺加量为 30%。 (2) 混凝土浇筑温度的控制 降低混凝土的浇筑温度对控制混凝土裂缝非常重要。根据混凝土温度、应力模型计算，承台混凝土最高浇筑温度宜控制在 30以内，现场温控措施如下： 水泥的优选。考虑该承台温控难度大，项目部在水泥的选择上就把水泥的出库温度、水化热作为优选水泥的重要参数，通过水泥的比选，选择了葛洲坝 PO42.5 水泥，并控制水泥温度不超过 60。 降低骨料温度。堆高骨料，取料时，采用取底部骨料。
