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1、南溪长江公路大桥南锚碇大体积混凝土温控方案中交武汉港湾工程设计研究院有限公司2010年08月目 录1.概述12.温度应力仿真计算12.1气象资料12.2设计资料2导热方程2导热方程的初始条件和边界条件3基本假设5计算考虑的荷载和边界条件5混凝土结构的开裂风险52.3仿真计算7模型参数72.3. 2计算结果73.温控标准124.现场温度控制措施134.1混凝土配制134.2混凝土浇筑温度的控制144.2.1 浇筑温度计算144.2.2 夏季施工浇筑温度控制164.2.3 冬季施工浇筑温度控制164.3冷却水管的埋设及控制16水管位置16水管使用及其控制174.4控制混凝土浇筑间歇期174.5内外
2、温差控制174.6施工控制18浇筑和振捣18养护185.现场监控195.1监测仪器及元件19监测元件19监测元件的埋设195.2现场监测20现场监测内容及要求20温控监测流程21现场监测异常的应对措施221.概述宜泸渝高速公路南溪长江大桥建设是宜泸渝高速公路宜宾段的重要控制性工程之一，投资为6.5亿元，预计2012年年底建成通车。其北桥头位于长江北岸南溪县罗龙镇金鸡村王家嘴，南桥头位于长江南岸南溪县江南镇和马家乡交界处的灌口。桥梁总长度1295.89米，主桥为820米，宽24.5米，桥梁形式为双塔门式悬索桥，双向四车道，设计时速为80公里。南岸（泸州岸）隧道锚为隧道式预应力复合锚锭，是中国唯一
3、在五级围岩中的大跨径悬索桥锚碇。其设计总长度为69.7m，其中前锚室轴线长度39.7m，锚塞体轴线长度27m，后锚室轴线长度3m，预应力岩锚长度总长47.5m，锚入岩体深度17.5米，锚入锚塞体27米；隧道洞口断面为7.38.0m，拱顶半径3.65m；洞底断面尺寸为1819.5m，顶拱半径9m，轴线成38反坡往下延伸，最大坡度为44.3。挖石方20000多立方，混凝土约15000m3，为大体积混凝土。为保证混凝土施工质量，避免产生有害温度裂缝，确保大桥的使用寿命和运行安全，中交武汉港湾工程设计研究院有限公司对该锚碇大体积混凝土进行了温控方案设计，应用大体积混凝土施工期温度场及仿真应力场分析程序
4、包计算了锚碇混凝土的内部温度场及仿真应力场，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.温度应力仿真计算2.1气象资料桥址所在的宜宾市属中亚热带湿润季风气候区的四川“盆南”气候类型，具春旱夏热、秋冬绵雨、雨量充沛、无霜期长的特征。该地区年平均气温18.9，最低1月份平均8.1，最高7月份平均28.0；年平均总降雨量为11081184毫米，降水集中在59月；平均相对湿度8183%；主导风向为北西，最大风速20.0m/s。1996.012010气候统计资料见图2-1。 a.气候特征统计图 b.多年平均温度表图2-1 宜宾地区气候统计资料2.2设计资料2.2.1导热方程设有
5、一均匀各向同性的固体，从中取出一无限小的六面体，如下图。在单位时间内从左界面流入的热量为，经右界面流出的热量为，流入的净热量为。图2-2 温度传导小六面体示意图在固体的热传导中，热流量（单位时间内通过单位面积的热量）与温度梯度成正比，但热流方向与温度梯度方向相反， (公式2-1)式中 导热系数，kJ/(mh)；是的函数，将展成泰勒级数并取前两项，得： (公式2-2)沿方向流入的净热量为 同理，沿方向和方向流入的净热量分别为 及 水泥水化热作用在单位时间内单位体积中发出的热量为，则在体积内发出的热量为。在时间内，此六面体温度升高所吸收的热量为 其中，混凝土比热，；时间，；密度，。由热量的平衡，从
6、外界流入的净热量与内部水化热之和必须等于温度升高所吸收的热量，即 (公式2-3)简化，得固体导热方程如下： (公式2-4)式中导温系数，。在绝热条件下混凝土的温度上升速度为导热方程可改写为 (公式2-5)2.2.2导热方程的初始条件和边界条件导热方程建立了物体的温度与时间、空间的关系，但满足导热方程的解无限多，为了确定我们所需要的温度场，还必须知道初始条件和边界条件。初始条件为在初始瞬时物体内部的温度分布规律。边界条件包括周围介质与混凝土表面相互作用的规律及物体的几何形状。混凝土初始瞬时的温度分布认为是均匀的，即边界条件可以用以下四种方式给出：（1）第一类边界条件：混凝土表面温度是时间的已知函
7、数，即 (公式2-6)混凝土与水接触时，表面温度等于已知的水温，属于这种边界条件。（2）第二类边界条件：混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即 (公式2-7)式中 表面法线方向。若表面是绝热的，则。（3）第三类边界条件：当混凝土与空气接触时，表面热流量与混凝土表面温度和气温之差成正比，即 (公式2-8)式中 放热系数，。当放热系数趋于无限时，即转化为第一类边界条件。当放热系数时，又转化为绝热条件。（4）第四类边界条件：当两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，边界条件如下： (公式2-9)如果两固体之间接触不良，则温度是不连续的，须引入接触热阻的概念，边界条件如
8、下： (公式2-10)式中，因接触不良产生的热阻，由实验确定。2.2.3基本假设由于影响施工期混凝土开裂的因素很多，所以在实际计算中作以下假设：1) 假定混凝土为均质各向同性材料，结构在温度和静力作用下，材料处于弹性范围，结构构件的温度变形符合贝努力平面假定；2) 本结构在温度场范围内，材料特性不随温度而改变；3) 模板变形对混凝土体不产生影响，混凝土收缩变形均匀分布；4) 热源的放热率是时间的函数，而与空间变量无关。2.2.4计算考虑的荷载和边界条件大体积混凝土施工期所受的荷载主要为温度荷载、混凝土自重以及混凝土收缩变形所产生的荷载。收缩变形所产生的荷载转化为温度荷载。计算锚碇温度场时，基础
9、底部采用第二类边界条件，取绝热状态；顶部采用第三类边界条件（与空气接触）；锚碇内对称截断面采用第二类边界条件的绝热状态；对于外表面，考虑拆模前后对混凝土表面的散热影响，拆模前是粗糙表面与空气热对流边界条件，拆模后是光滑表面与空气热对流边界，拆模后用土工布养护时，为土工布表面与空气热对流边界，这些边界属于第三类热学边界条件。计算应力场时，基础底部取固定约束，侧面和对称截面给与该表面的位移约束。2.2.5混凝土结构的开裂风险目前对于混凝土在温度应力场分析验算的抗裂安全系数，即混凝土的劈裂抗拉强度与计算温度应力之比有不同的取值。在欧洲一般采用开裂风险的概念，即混凝土计算拉应力与对应龄期劈裂抗拉强度的
10、比值，并对开裂风险作了规定。丹麦在其1991年出版的“早龄期开裂控制”系列报告中指出：混凝土内部产生的拉应力超过80%的劈裂抗拉强度时生成少数裂缝，应力小于80%的劈裂抗拉强度时，没有观察到裂缝。厄勒海峡隧道和丹麦大海带桥梁中要求计算温度应力与劈裂抗拉强度不得大于0.7，即劈裂抗拉强度与温度应力比不得小于1.4，现场监测结果表明混凝土没有出现温度裂缝，温控效果良好。在日本规范中采用抗裂安全系数来评价混凝土的开裂风险，并要求劈裂抗拉强度与计算温度应力比不得小于1.251.5。即将颁布的交通部行业标准水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程（报批稿）规范编写组统计了二十余个大体积混凝土温控工程的开
11、裂情况，发现劈裂抗拉强度与相应龄期计算的温度应力值之比不小于1.4时，开裂概率小于5%；劈裂抗拉强度与相应龄期计算的温度应力值之比不小于1.3时，开裂概率小于15%。考虑到本工程抗裂的重要性和锚碇温控的特点，拟控制温控抗裂安全系数大于1.3。温控抗裂安全系数的定义为标准养护条件下的混凝土劈裂抗拉强度试验值与对应龄期温度应力计算最大值之比。2.2.6混凝土设计参数取值锚体混凝土设计强度等级C30，混凝土劈裂抗拉强度参考值、物理热学参数按经验取值，见表2-1、表2-2。表2-1 C30锚碇混凝土劈裂抗拉强度参考值(MPa)龄期3d7d28d半年劈裂抗拉强度1.42.43.53.8备注:若有试验值，
12、该参考值根据实际试验值确定。表2-2 C30锚碇混凝土物理热学参数最终弹模（MPa）热胀系数(1/)比热(kJ/kg. )混凝土绝热温升()3.51048.010-60.9836.0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，如下式所示：式中：C10.23/E2，C20.52/E2，E2为最终弹模。2.3仿真计算模型参数 锚体为隧道锚，预应力岩锚长度总长47.5m，锚入岩体深度17.5米，锚入锚塞体27米；隧道洞口断面为7.38.0m，拱顶半径3.65m；洞底断面尺寸为1819.5m，顶拱半径9m，分9层（6m+3m2+2m3+3m2+5.4m）浇筑。根据结构对称性，取锚
13、碇混凝土1/2进行温度应力计算，计算模型网格剖分图见图2-3。 锚碇C30混凝土受围岩约束。 混凝土表面散热系数取为1200 kJ/(m2d)。 计算时考虑冷却水管的降温效果。 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。图2-3 锚碇1/2块有限元剖分图（附带围岩约束）2.3. 2计算结果混凝土浇筑温度按夏季控制不超过28计算。在以上设定条件下，锚碇内部最高温度计算值见表2-3，最高温度包络图见图2-4，温峰出现时间约为浇筑后第23天。图2-4锚碇最高温度包络图（单位：）表2-3 锚碇混凝土内部最高温度计算结果（）浇筑层数123456789最高温63.964.564.259.257.359.361.561.163.0锚碇混凝土温度应力场分布见图2-5，应力计算结果见表2-4。A1：锚碇第一层3天应力场B1：锚碇第一层7天应力场 C1：锚碇第一层28天应力场A2：锚碇第五层3天应力场B2：锚碇第五层7天应力场C2：锚碇第五层28天应力场A3：锚碇第九层3天应力场B3：锚碇第九层7天应力场C3：锚碇第九层28天应力场D：锚碇混凝土温度稳定后应力场分布图2-5 锚碇混凝土应力场分布图（单位：0.
