灃河橋主墩承臺(tái)水化熱分析計(jì)算書

1、灃河橋主墩承臺(tái)水化熱分析計(jì)算書一、工程概況工程概況請(qǐng)自行補(bǔ)充二、水化熱理論計(jì)算模型對(duì)該工程的大體積混凝土用有限元程序Midas進(jìn)行分析，利用1/4對(duì)稱模型和實(shí)體單元模擬混凝土的施工及養(yǎng)護(hù)過程。如只將地基支撐條件作為彈簧模擬則無(wú)法描敘混凝土傳熱給地基的情況，因此將地基也模擬為具有一定比熱和熱傳導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)。模型如圖2-1所示，上部為大體積承臺(tái)，下面是3.5m厚地基。為更加精確地模擬出大體積混凝土水化過程中的散熱情況，須將模型中承臺(tái)下部分地基，與承臺(tái)部分進(jìn)行細(xì)化處理，將此兩處的模型劃分為更為細(xì)小的單元以提高水化熱分析的精度。圖2-1水化熱分析計(jì)算模型(1/4承臺(tái))承臺(tái)：21.8m×12.4

2、m×3.5m 地基：28.8m×19.4m×3.5m 三、計(jì)算參數(shù)1、承臺(tái)與地基計(jì)算參數(shù)承臺(tái)與地基參數(shù)請(qǐng)見下表位置特性位置特性基礎(chǔ)地基比熱kcal/m hr 0.250.2容重kN/m32518熱導(dǎo)率kcal/kg 2.31.7對(duì)流系數(shù)kcal/m2 hr 外表面1212鋼模12-外界溫度（）10-澆筑溫度()10-28天抗壓強(qiáng)度MPa30-強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)ACIa=0.45 b=0.95 -28天彈性模量kN/m23×1071×106熱膨脹系數(shù)1×10-51×10-5泊松比0.180.2每立方水泥用量kg/m3307-熱源函數(shù)

3、系數(shù)K=43.05 a=0.3559 -2、管冷參數(shù)冷卻管采用管徑為50mm，壁厚2.5mm鋼管，其流量控制在1.2m3/h以上。冷卻管分三層布置，其間距保持在一米（冷卻管布置見設(shè)計(jì)圖）。3、邊界條件計(jì)算模型中，按以下4種溫度邊界條件處理：(1)第一類邊界條件：混凝土表面溫度是時(shí)間的已知函數(shù)。承臺(tái)的頂面、地基-的底面及地基的外側(cè)面采用此類邊界條件。地基的底面和側(cè)面溫度為土壤恒定溫度。(2)第二類邊界條件：混凝土表面的熱流量是時(shí)間的已知函數(shù)，若表面是絕熱的，則為絕熱邊界條件。在l4承臺(tái)模型的對(duì)稱面上采用此類邊界條件。承臺(tái)的混凝土熱源、冷卻水管及養(yǎng)護(hù)等關(guān)于中心線基本對(duì)稱，故在對(duì)稱面上沒有熱量傳遞，

4、為絕熱邊界條件。(3)第三類邊界條件：當(dāng)混凝土與空氣接觸時(shí)，假定經(jīng)過混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度丁與氣溫T。之差成正比，即-kTN=T-Ta 式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)kJ(m·h·)；為表面放熱系數(shù)(kJ(m。-h·)；n為表面外法線方向。在承臺(tái)的外側(cè)面和地基與空氣接觸的頂面采用第三類邊界條件。承臺(tái)的外側(cè)面和地基與空氣接觸的頂面考慮到不同的對(duì)流情況，取為不同的對(duì)流系數(shù)。 (4)第四類邊界條件：當(dāng)兩種不同的固體接觸時(shí)，如果接觸良好。則在接觸面上溫度和熱流量都是連續(xù)的，邊界條件為：T1=T2,k1T1T2=k2T2n式中：T1、T2分別為兩種不同固體接觸面上的溫度；k

5、1、k2分別為兩種不同固體的導(dǎo)熱系數(shù)。在承臺(tái)與地基接觸面上采用第四類邊界條件。本模型中沒有考慮樁基在熱傳遞中的作用，把地基也模擬為具有一定比熱和熱傳導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)，地基與承臺(tái)接觸良好，在接觸面上溫度和流量都是連續(xù)的。四、計(jì)算分析本計(jì)算書按照不設(shè)冷卻管和設(shè)置冷卻管兩種情況對(duì)砼溫度及應(yīng)力進(jìn)行分析。（一）不設(shè)置冷卻管1、溫度分析第10小時(shí)混凝土內(nèi)部溫度分布見圖3-1-1所示，忽略地基溫度變化此時(shí)承臺(tái)的最高溫度為15.94，最低溫度為12.54，最大溫差為3.4。圖3-1-1混凝土澆筑后10小時(shí)水化熱散熱情況第20小時(shí)混凝土內(nèi)部溫度分布見圖3-1-2所示，忽略地基溫度變化此時(shí)的最高溫度為21.07，最低溫

6、度為11.9，最大溫差為9.2。圖3-1-2混凝土澆筑后20小時(shí)水化熱散熱情況在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中混凝土水化熱最大值發(fā)生在170小時(shí)，其內(nèi)部溫度分布見圖3-1-3所示，忽略地基溫度變化此時(shí)的最高溫度為47.16，最低溫度為10.37，最大溫差為36.79。超出設(shè)計(jì)規(guī)范要求。如果砼表面保溫措施不到位的情況下，很容易產(chǎn)生裂縫。圖3-1-3混凝土澆筑后170小時(shí)水化熱散熱情況在混凝土內(nèi)部溫度較高點(diǎn)溫度發(fā)展變化曲線如圖3-1-4所示。從圖中可以看出，混凝土剛澆筑的一段時(shí)間內(nèi)溫度上升很快，在第8天達(dá)到最大值。圖3-1-4混凝土內(nèi)部較高溫度點(diǎn)溫度變化曲線在混凝土邊緣溫度較低點(diǎn)溫度發(fā)展變化曲線如圖3-1-5所

7、示。從圖中可以看出，混凝土剛澆筑的一段時(shí)間內(nèi)溫度上升很快，10h達(dá)到最大值，然后開始降溫，由于溫度較低點(diǎn)位于混凝土表面，且外界溫度較低，降溫較快。因此砼表面必須覆蓋保溫。圖3-1-5在混凝土邊緣溫度較低點(diǎn)溫度發(fā)展變化曲線圖通過調(diào)整各種計(jì)算參數(shù)綜合軟件分析結(jié)果可以得知，不布置冷卻管時(shí)，溫差較大容易產(chǎn)生裂縫。2、應(yīng)力計(jì)算分析水化熱應(yīng)力分析中強(qiáng)度發(fā)展公式采用ACI規(guī)法公式，如下所示。式中，對(duì)應(yīng)于t齡期時(shí)的混凝土強(qiáng)度t混凝土齡期混凝土28天立方體抗壓強(qiáng)度a、b水泥種類系數(shù)，取a=4.5，b=0.95第20小時(shí)混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布見圖3-1-6所示，此時(shí)的最大拉應(yīng)力為0.59MPa ，最大壓應(yīng)力為0.44

8、MPa 。圖3-1-6混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布圖第20小時(shí)混凝土容許應(yīng)力分布見圖3-1-7所示，此時(shí)的最大容許拉應(yīng)力為1.15MPa>0.59MPa混凝土不會(huì)出現(xiàn)裂縫。圖3-1-7第20小時(shí)混凝土容許應(yīng)力圖第170小時(shí)混凝土水化熱最大時(shí)期應(yīng)力分布如圖3-1-8所示此時(shí)最大張拉應(yīng)力為3.89MPa（出現(xiàn)在砼表面）圖3-1-8第170小時(shí)混凝土水化熱應(yīng)力分布圖第170小時(shí)混凝土水化熱最大時(shí)期容許應(yīng)力分布如圖3-1-9所示此時(shí)最大容許張拉應(yīng)力為2.71MPa<3.89MPa（產(chǎn)生裂縫）圖3-1-9第170小時(shí)混凝土容許應(yīng)力分布圖在混凝土邊緣應(yīng)力最大點(diǎn)應(yīng)力及其容許拉應(yīng)力發(fā)展變化曲線如圖3-1-1

9、0所示。從圖中可以看出，紅線在綠線上方的時(shí)段，證明混凝土的溫度應(yīng)力大于混凝土的允許抗拉強(qiáng)度值。該點(diǎn)位于混凝土表面，由于環(huán)境溫度較低，造成混凝土表面與內(nèi)部溫差較大，產(chǎn)生裂縫，如果采取措施，對(duì)砼表面進(jìn)行保溫處理，減小溫差，可以避免產(chǎn)生裂縫。具體情況要根據(jù)保溫材料的熱工參數(shù)另行計(jì)算。圖3-1-10混凝土拉應(yīng)力及容許拉應(yīng)力發(fā)展曲線（二）設(shè)置冷卻管冷卻管水溫采用15，流量1.2m3/h1、溫度分析第10小時(shí)混凝土內(nèi)部溫度分布見圖3-2-1所示，忽略地基溫度變化此時(shí)承臺(tái)的最高溫度為19.95，最低溫度為14.47，最大溫差為5.48。由于計(jì)算時(shí)將冷卻水溫定在15，砼入模溫度設(shè)置為10，砼最高溫出現(xiàn)在冷卻管

10、附近。圖3-2-1混凝土澆筑后10小時(shí)水化熱散熱情況第20小時(shí)混凝土內(nèi)部溫度分布見圖3-2-2所示，忽略地基溫度變化此時(shí)的最高溫度為21.66，最低溫度為14.05，最大溫差為7.61。圖3-1-2混凝土澆筑后20小時(shí)水化熱散熱情況設(shè)置冷卻管以后，在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中混凝土水化熱最大值發(fā)生在100小時(shí)，其內(nèi)部溫度分布見圖3-2-3所示，忽略地基溫度變化此時(shí)的最高溫度為32.44，最低溫度為12.91，最大溫差為19.58。圖3-2-3混凝土澆筑后100小時(shí)水化熱散熱情況在混凝土內(nèi)部溫度較高點(diǎn)溫度發(fā)展變化曲線如圖3-2-4所示。從圖中可以看出，混凝土剛澆筑的一段時(shí)間內(nèi)溫度上升很快，在第5天達(dá)到最大

11、值。圖3-2-4混凝土內(nèi)部較高溫度點(diǎn)溫度變化曲線在混凝土邊緣溫度較低點(diǎn)溫度發(fā)展變化曲線如圖3-2-5所示。從圖中可以看出，混凝土剛澆筑的一段時(shí)間內(nèi)溫度上升很快，10h達(dá)到最大值，然后開始降溫，由于溫度較低點(diǎn)位于混凝土表面，且外界溫度較低，降溫較快。因此砼表面必須覆蓋保溫。圖3-2-5在混凝土邊緣溫度較低點(diǎn)溫度發(fā)展變化曲線圖通過調(diào)整各種計(jì)算參數(shù)綜合軟件分析結(jié)果可以得知，布置冷卻管時(shí)，砼最大溫差為19.58，發(fā)生100h，未超出規(guī)范要求。2、應(yīng)力計(jì)算分析水化熱應(yīng)力分析中強(qiáng)度發(fā)展公式采用ACI規(guī)法公式，如下所示。式中，對(duì)應(yīng)于t齡期時(shí)的混凝土強(qiáng)度t混凝土齡期混凝土28天立方體抗壓強(qiáng)度a、b水泥種類系數(shù)

12、，取a=4.5，b=0.95第20小時(shí)混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布見圖3-2-6所示，此時(shí)的最大拉應(yīng)力為0.57MPa ，最大壓應(yīng)力為0.46MPa 。圖3-2-6混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布圖第20小時(shí)混凝土容許應(yīng)力分布見圖3-2-7所示，此時(shí)的最大容許拉應(yīng)力為1.17MPa>0.57MPa混凝土不會(huì)出現(xiàn)裂縫。圖3-1-7第20小時(shí)混凝土容許應(yīng)力圖第100小時(shí)混凝土水化熱最大時(shí)期應(yīng)力分布如圖3-2-8所示此時(shí)最大張拉應(yīng)力為1.75MPa圖3-2-8第100小時(shí)混凝土水化熱應(yīng)力分布圖第100小時(shí)混凝土水化熱最大時(shí)期容許應(yīng)力分布如圖3-2-9所示此時(shí)最大容許張拉應(yīng)力為2.31MPa>1.75MPa混凝土不會(huì)出現(xiàn)裂縫。圖3-