天津路大橋承臺大體積混凝土溫控設(shè)計與仿真分析

天津路大橋承臺大體積混凝土溫控設(shè)計與仿真分析 董立功 胡茂剛 江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司 鎮(zhèn)江 212001 摘要摘要 天津路大運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)鍵詞關(guān)鍵詞 大體積混凝土 溫控設(shè)計 仿真分析 一 基本資料 天津路大運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 fcu 25 1 645 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 外加劑 183 269 709 1200 76 5 865 水泥為海螺牌 P 0 42 5 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 小時溫度變化按擬合正弦曲線輸入 擬用于冷卻的運河水溫在 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 分析兩個過程 熱傳導(dǎo)分析是通過考慮水泥水化 反應(yīng)時產(chǎn)生的熱量 對流 傳導(dǎo)等因素計算隨時 間變化的各節(jié)點的溫度的過程 熱應(yīng)力分析是利 用計算得到的各節(jié)點的不同時間的溫度 考慮隨 時間和溫度變化的材料特性 干縮 隨時間和應(yīng) 力變化的徐變等 來計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所 需要的參數(shù)由兩個部分 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)實際情況選擇自行計算輸入 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 外表面 12 對流系數(shù) KJ m2 h 0C 模板 12 外界溫度 12 澆注溫度 12 28 天抗壓強(qiáng)度 25 強(qiáng)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 容重取配合比實際容重 外界溫度為 幾天實測平均值 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 其計算如下 K mtc e C Qm 1 718 2 1 244296 0 366269 42 a 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 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 由于模型具有對稱性 所以建模時按實 體的 1 4 進(jìn)行建模和分析 這樣可以提高建模速度 縮短分析時間 同時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 確定的各項參數(shù) 運行程序進(jìn)行計算與分析 所 定義一般材料特性 定義時間依存特性 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 運行分析 查看分析結(jié)果 圖一圖一 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 小時后的等值線 2 澆注結(jié)束 24 小時的等值線 3 48 小時的等值線 4 92 小時的溫度等值線 由上述 4 個時點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 小時的應(yīng)力等值線 剖面位置同溫度等 值線 2 24 小時的應(yīng)力等值線 3 48 小時的應(yīng)力等值線 4 92 小時的應(yīng)力等值線 由上面 4 個時點的應(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 44 87 為 240 號節(jié)點 時點為 240 小時 此點在模型圖上為封底混凝土 底部 次高點發(fā)生在 320 號節(jié)點 此點在模型圖 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 位置 約在澆注 360 小時后 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)計要求的范圍內(nèi) 當(dāng)設(shè)計無具體 要求時 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 到最高時的斷面平均最高溫度 而不是指混凝土 某一點的最高溫度 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際計算值不大 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 試配時選擇級配良好的砂 石料 減少水泥 用量 同時摻假粉煤灰進(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 計算其出料溫度 如外界氣 溫低于 0 時 應(yīng)按混凝土冬季施工要求進(jìn)行施工 控制混凝土澆筑間歇期 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 為保證冷卻水的流速 每層冷卻 管設(shè)置各 3 個進(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 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 通水時間一般 10 15 天 具體時間可根據(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)異常情況及時采取有效措施 在 承臺混凝土中布設(shè)溫度測點 測點沿承臺的 1 4 部位水平布置 平面共 14 個測點位置 42 只傳感 器 測點布置示意圖見下圖 在監(jiān)測混凝土溫度變化的同時 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 現(xiàn)場測試要求 各項測試應(yīng)在混凝土澆筑后立即進(jìn)行 連續(xù) 不斷 混凝土溫度測試 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 一個觀測 一個記 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 儀采用單點檢測控制儀 溫度傳感器的主要技術(shù) 性能 測溫范圍 10 150 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)計所確定的參