西江水道桥主墩承台施工温控方案设计.docx
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西江水道桥主墩承台施工温控方案设计
西江水道桥主墩承台施工温控方案设计
一、工程概况
西江水道桥主墩承台尺寸为34.5m（横桥向）×24.5m（纵桥向）×6m（高度），顶标高为+4.53m，底标高为-1.47m。
桩基采用29根φ2.5m钻孔灌注桩（钢护筒直径2.8m），梅花形布置。
承台采用C40混凝土，单个主墩承台设计方量5597.05m³，封底混凝土采用水下C20混凝土，钻孔桩采用C30水下混凝土。
如图1-1主墩承台设计图。
图1.1主墩承台构造图
主墩承台施工属于大体积承台施工，大体积混凝土浇筑后将产生较高的水化热温升，形成不均匀非稳定温度场，产生非均匀的温度变形，温度变形在下部结构和自身的约束之下将产生较大的温度应力，温度应力往往超过混凝土的抗拉强度，导致混凝土开裂。
为了避免承台混凝土产生过大应力，决定将主塔承台竖向分为2层完成混凝土浇筑施工，第一层2.5m，第二层3.5m。
为防止温度裂缝，保证工程质量，必须进行温度控制，并采取合理的温度控制措施。
温度控制的标准和温控措施的制订则应依据温控计算与温控设计。
同时，为检验温控标准和温控效果并便于调整温控措施，还需进行温控监测，作出温控监测设计。
二、设计依据
（一）《西江水道桥两阶段施工图纸》；
（二）《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）；
（三）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）;
（四）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）；
（五）《大体积混凝土温度应力与温度控制》（朱伯芳著）；
（六）《西江水道桥主墩承台施工方案》。
三、设计计算参数
混凝土浇筑后的温度与水泥的水化热温升、混凝土的浇筑温度和浇筑进度、外界气温、表面保护等多种因素有关。
温度计算结果的准确性除了选择恰当的计算方法以外，还有赖于与上述因素有关的基本条件和材质参数的正确选取。
温度计算中用到的水泥水化热，混凝土配合比、强度、弹性模量及气温等参数均通过实验及相关规范资料选取。
3.1混凝土性能
3.1.1混凝土的配合比组成
（1）水泥
所用水泥的化学成分及水化热指标应满足有关规定，应避免使用早强、水化热较高和C3A含量较高的水泥；要防止水泥细度过小，早期发热过快，不利于温控。
当水泥温度大于60℃时，不允许进入水泥储料罐。
同时应做到先入罐的水泥先用，以保证水泥有足够的降温时间。
水泥选用P.O42.5水泥，选择这种水泥主要有以下几个方面的考虑：
一方面因为塔柱的外观颜色和选用水泥的种类有很大的关系，考虑到保证承台与塔柱的色泽一致，所以选用与塔柱同样的水泥。
另一方面考虑到水化热的产生不光与水泥种类有关，而且与单位体积水泥用量有关，选用P.O42.5水泥可以大大减少单位水泥用量。
（2）粉煤灰
粉煤灰应采用组分均匀和各项性能稳定的Ⅱ级及Ⅱ级以上优质粉煤灰，而且粉煤灰的烧失量应不大于8％，需水量比应小于100％，以降低用水量，其它各项指标应满足规范要求。
（3）化学外加剂
为提高混凝土耐久性和减少用水量，改善混凝土和易性，降低绝热温升，承台混凝土应掺加适量的高效缓凝减水剂。
减水剂的减水率应大于20％，同时还应检查外加剂的稳定性。
（4）骨料
工程应用的骨料应没有碱活性并具有较低的热胀系数。
粗骨料级配为5～25mm级配。
细骨料为中砂，细度模数为2.8，其它指标应符合有关规范。
（5）混凝土配合比
根据以往的经验和试验数据结果，确定混凝土的配合比见下表：
封底C20混凝土配合比表3.1-1
材料名称
水泥
粉煤灰
砂
碎石
水
减水剂
合计
材料用量（kg）
200
115
847
1036
153
2.52
2353.52
相对用量（%）
8.5
4.9
36
44
6.5
0.1
100
承台C40混凝土配合比表3.1-2
材料名称
水泥
粉煤灰
砂
碎石
水
减水剂
合计
材料用量（kg）
310
120
740
1065
151
4.09
2353.52
相对用量（%）
8.5
4.9
36
44
6.5
0.1
100
3.1.2混凝土力学性能
①封底混凝土：
封底混凝土采用C20混凝土，28天强度为f28=31.6MPa；查《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》知弹性模量为Ec=2.55×104MPa；泊松比：
u=0.2；密度：
ρ=2353.5kg/m3；
②承台混凝土：
承台混凝土采用C40混凝土，3天强度为f3=31MPa，7天强度为f7=43.2MPa，28天强度为f28=50.0MPa；查《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》知弹性模量为Ec=3.25×104MPa；泊松比：
u=0.2；密度：
ρ=2390.1kg/m3。
3.1.3混凝土热学性能
①导热系数及比热
参考《大体积混凝土温度应力与温度控制》第2.4节，在20℃条件下，各原材料的热学性能见3.1-3。
原材料热学性能汇总表表3.1-3
材料系数
水泥
粉煤灰
砂
碎石
水
外加剂
导热系数
λ（kJ/m·h·℃）
4.446
4.446
11.129
14.528
2.160
2.160
比热C（kJ/m·℃）
0.456
0.456
0.699
0.749
4.187
4.187
根据上表按照重量百分比加权方法得出在30℃条件下，封底混凝土、承台混凝土的热学性能参数见表3.1-4。
原材料热学性能汇总表表3.1-4
材料名称
封底混凝土
承台混凝土
导热系数
2.3
2.3
比热
0.25
0.25
②热膨胀系数：
а=1×10-5；
③绝热温升参考《大体积混凝土温度应力与温度控制》表2-5-2中查得普通硅酸盐水泥的水化热系数Q0=330kJ/kg，根据水泥水化热计算得承台混凝土的绝热温升计算公式如下：
θ0=Q0（W+kF）/c/ρ
式中：
θ0—水泥绝热温升
Q0—水泥水化热
W—水泥用量
k—折减系数，对于粉煤灰取0.25。
F—混合料用量
C—混凝土比热
ρ—混凝土密度
通过计算得到承台混凝土的绝热温升为41℃，查表得到导热系数为0.759。
3.1.4施工条件
①根据总体工期的总体安排，承台在11-3月份进行施工。
根据最近几年相关气温统计，在11-3月份的平均温度为24℃，冷却水温按照18℃进行控制。
②混凝土浇筑温度：
浇注时的气温T，混泥土温度按照T+6℃进行控制。
③承台的分两层浇筑：
分层厚度分别为2.5m+3.5m。
④混凝土层间浇筑间歇时间为10天。
3.1.4边界条件
计算承台温度时，取以下三种边界条件：
①在封底混凝土底面和周边与钢围堰和土体接触，可取封底混凝土温度等于环境温度；
②混凝土表面采用土工布进行覆盖养护，土工布的厚度为5mm，其导热系数为0.188kJ/（m·h·℃），属于第三类边界条件。
混凝土侧面采用钢模板进行施工，混凝土表面的放热系数为18.46kJ/（m2·h·℃）。
混凝土上覆盖土工布的等效放热系数为
βs=1/（1/β+h/λ）=1/（1/18.46+0.005/0.188）=12.38kJ/（m·h·℃）。
③混凝土分层浇筑时,上下两层混凝土的结合面采取人工凿毛，并覆盖土工布养护。
混凝土表面的放热系数为21.06kJ/（m2·h·℃）。
则上下两层混凝土的结合面土工布的等效放热系数为
βs=1/（1/β+h/λ）=1/（1/21.06+0.005/0.188）=13.50kJ/（m·h·℃）。
3.1.5冷却管布置
承台施工采用冷却水管进行内部降温。
参考主桥设计图纸，承台冷却管采用导热性好、并有一定强度的镀锌铁管，规格型号为φ42.4×3.2mm。
冷却水管布置层距为1.0m,离底层和顶层的距离均为50cm，整个承台共埋设6层冷却。
图3.1-1承台混凝土冷却管布置图
3.2混凝土性能
（一）浇筑温度，混凝土入仓并经过平仓振捣后，在上层混凝土覆盖前距混凝土表面10～15cm处的温度为浇筑温度。
控制浇筑温度对降低混凝土内部最高温度具有重要意义。
应控制混凝土浇筑温度不大于T+6℃（T为浇筑期旬平均气温）。
（二）内外温差，混凝土块体内部平均温度与表面温度之差为内外温差。
为防止混凝土内外温差过大引起表面裂缝，施工中需控制混凝土内外温差小于25℃。
（三）保温标准，混凝土表面裂缝多发生在浇筑的初期，而初期的气温骤降是引起表面裂缝的主要外因。
当平均气温在2～3天内连续下降6～9℃时，未满28天龄期的混凝土暴露表面可能产生裂缝。
因此应采取的保温标准为2～3天内连续下降小于6～9℃。
（四）降温速率，控制降温速率可使混凝土内部温度应力得到及时释放，对减少温度裂缝具有重要意义。
混凝土降温速率应控制在不大于3℃／d。
3.3采用midascivil进行水化热分析
为了加快建模速度，且能更好的显示内部温度分布情况，采用1/4承台模型进行有限元水化热分析。
完成1.5m的封底混凝土后，进行第一层2.5m的浇筑施工。
图3.3-1第一层水化热分析1/4模型
图3.3-2第一层浇筑30h后温度分布
图3.3-3第一层浇筑60h后温度分布
图3.3-4第一层浇筑120h后温度分布
图3.3-5第一层浇筑240h后温度分布
图3.3-6第一层浇筑500h后温度分布
图3.3-7第一层浇筑最高温度和最低温度单元的拉应力图表
图3.3-8第一层浇筑最高温度和最低温度图表
图3.3-9第一层浇筑最高温度和最低温度单元拉应力比图表
10天后进行第二层3.5m的浇筑施工。
图3.3-10第二层水化热分析1/4模型
图3.3-11第二层浇筑30h后温度分布
图3.3-12第二层浇筑60h后温度分布
图3.3-13第二层浇筑120h后温度分布
图3.3-14第二层浇筑240h后温度分布
图3.3-15第二层浇筑500h后温度分布
图3.3-16第二层浇筑最高温度和最低温度单元的拉应力图表
图3.3-17第二层浇筑最高温度和最低温度图表
图3.3-18第二一层浇筑最高温度和最低温度单元拉应力比图表
3.4分析成果表
表3.4-1
序号
施工工况
内部最高温度
表面最低温度
温差
最大拉应力
容许拉应力
1
第一层
53.3℃
31.5℃
21.8℃
2.75
3.5
2
第二层
47.2℃
27.1℃
19.9℃
2.70
3.5
3.5结论
从上面的计算结果来看，承台混凝土配合比及温控方案可行，承台施工质量有保障，能满足相关规范及设计要求。
四、温度检测
温控点布置：
在每层混凝土（2.5m和3.5m高度）内，沿纵、横轴线两个方向设置温度传感器。
温度传感器沿高度方向设置3层，分别距离承台底面0.4m、1.25或1.5m、3m或3.5m，距承台周边1m纵轴线上设置3层、每层3个，横轴线上设置1层、每层设置9个温度传感器，单个主墩承台共需温度传感器36个。
五、温度控制措施
根据上面的应力计算结果与分析，再根据工地现场的实际情况，制订以下具体的温控措施：
大体积混凝土主要考虑抗裂性能好、兼顾低热和高强两个方面的要求。
（1）在满足混凝土设计强度的前提下，尽量优化配合比，减少水泥用量，确保水化热绝热温升不超过第2节中的规定的温控标准。
（2）采用双掺技术，掺用20%以上的优质粉煤灰，采用缓解水化热效果好的外加剂，降低混凝土的水化热温升。
（3）改善骨料级配在现场条件许可和保证质量的前提下，可选择较大粒径的骨料及减少砂率。
（4）调整施工时间，应尽量选择气温较低的日子施工，同时尽量安排每一浇筑层的中下部混凝土在夜间和早上浇筑，表面在白天浇筑。
（5）降低入仓温度，使混凝土的浇筑温度小于浇筑期的旬平均气温，且不大于20℃。
①水泥提前入罐，让其自然冷却，确保拌和前的水泥温度不高于60℃。
②当气温较高时,采用搭凉棚，堆高骨料、底层取料和用凉水喷淋骨料等方法降低骨料温度。
③当气温较高时，用冰水拌合混凝土。
④加快运输和入仓速度，减少混凝土在运输和浇筑过程中的温度回升。
当白天气温较高时，在混凝土输送管上覆盖保温布，并洒水降温，夜间必须再揭开保温布散热。
（6）采用冷却水管
①冷却水管的水平间距和上下层基本间距1m，水管间的间距误差不得超过±5cm。
②单根水管长度以小于160m为宜。
③水管内通水流量为不小于1.0m3/h，冷却水的进水口水温以不大于平均气温。
④冷却通水从水管被混凝土覆盖后开始，覆盖一层通水冷却一层，通水时间不小于160h，具体结束时间视混凝土温升、温降情况而定。
⑤冷却水管应采用导热性能好的金属管，管内径大于36mm,水管安装应保证质量，安装后应通水检查，防止管道漏水或阻塞。
⑥应确保通水期间的水源和流量，中途不得发生停水事故。
（7）合理分层浇筑。
（8）分层浇筑时，应控制混凝土层间的浇筑间歇期，间歇期以10天为宜。
（9）表面保温与养护混凝土浇注完毕待初凝后立即在上表面进行保温养护。
表面采用保温材料（土工布或塑料薄膜加草袋）保温养护。
在承台的四周，采取保温材料覆盖模板进行养护，拆模后，继续采用保温材料进行覆盖养护。
混凝土侧面应加强养护，使其始终保持湿润状态。
（10）为检验施工质量和温控效果，及时掌握温控信息，以便及时调整和改进温控措施，应进行温度控制监测，及时掌握内外温差则可以及时调整保护层厚度。
大体积混凝土的温度应力和防裂问题是一个十分复杂的问题，外界温度和湿度、施工条件、温控程序、原材料变化等都会引起温度应力的变化，只有通过温控监测，才能更准确地了解结构的质量与抗裂安全状况。
六、温控监测
为检查块体温度是否满足温控标准，温度控制措施是否有效，并便于及时掌握温控信息，调整和改进温控措施，就必须进行温控监测。
6.1温控监测内容
温度监测，在混凝土中埋入一定数量的测温仪器，测量混凝土不同部位温度变化过程，检验不同时期的温度特性和温差标准。
当温控措施效果不佳，达不到温控标准时，可及时采取补救措施；当混凝土温度远低于温控标准时，则可减少温控措施，避免浪费。
在检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仪器的选择
仪器选择依据实用、可靠和经济的原则，在满足监测要求的前提下，选择操作方便、价格适宜的仪器。
6.3仪器的埋设与观测
（1）仪器的埋设参照《混凝土大坝安全监测技术规范》SDJ336-89执行，并根据桥梁大体积混凝土的特点加以改进，由具有埋设技术和经验的专业人员操作。
测温元件必须在钢筋绑扎完毕和混凝土浇筑前安好。
由具有埋设技术和经验的专业人员操作，测区的导线绑在竖向钢筋上引出接在接线箱上；为了保护导线和测点不受混凝土振捣的影响，35×35角钢进行保护；用在每层混凝土浇筑顶面，将导线穿入2个角钢焊接形成的矩形管中，以保护导线的使用。
（2）仪器的观测
有关资料显示，用普通水泥配制的混凝土，一般在浇筑20h后才产生水化热，并连续到150h后逐渐开始下降，其中100h左右是水化热高峰值。
另外，普通水泥配制的混凝土养护时间应不小于21天。
因此采用如下测温制度：
①从浇筑混凝土后10h开始：
每4h测一次，当中心温度开始下降后，每6h测一次．总计测温天数30天，保证砼内外温差明显降低。
②其它测温项目：
大气温度，环境温度：
每昼夜2～4次
水、砂、石等原材料：
每工作班4次
搅拌棚室内温度：
每工作班2～4次
混凝土出仓温度：
每工作班2～4次
混凝土入模温度：
每工作班2～4次
6.4控制预案
如果现场检测过程中发现温度超出温控标准，可采取以下措施：
（1）监测浇筑温度超出控制范围，可以将粗骨料洒水、通风降温，拌合用水投冰
冷却，水泥储罐外壳洒水散热等措施降低砼出机温度；
（2）监测砼内部温度偏高，可以加大通水流量，降低冷却水温度的措施；
（3）监测内外温差过大，可以通过加强内部降温和外部保温措施来控制。
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