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1、佳田铁路立交特大桥主墩承台水化热分析报告1、工程概况某立交特大桥主墩承台有两种类型，尺寸长宽高分别为 12201320350cm承台 1和 12201670350cm承台 2，混凝土承受 C40。混凝土厚度达 3.5m，可能会因混凝土中的凝胶材料水化热引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生，属于标准规定的大体积混凝土。2 参数分析承受有限元软件 Midas Civil 对承台大体积混凝土进展水化热计算。大体积混凝土浇筑后的温度变化与混凝土协作比、混凝土的入模温度、混凝土与外部的热交换、内部冷却水管的布置等多种因素有关。此工程为对称的立方体构造，为节约计算时间、提高计算效率，承台依据 1/2 模
2、型进展计算。取两个承台中较大承台进展分析承台 2。为了准确模拟承台向地基热传导过程，模型包括承台局部以及包括地基局部，其中地基向承台外拓展 3m 的长度，厚 3m，有限元模型如图 2-1 所示。2.1 边界设置图 2-1 1/2 承台有限元模型承台 21、热分析边界（1） 承台顶板和侧面施加相应的对流边界，对流系数大小和风速、保温层以及模板有关。不同边界设置对应的对流系数如表 2-1。表 2-1 不同状况对应对流系数表边界设置对流系数 kJ/(m2h)侧面 2cm 木模，风速 0 15.7侧面 2cm 木模加 2cm 草袋保温，风速 0 8.81顶面掩盖 1 层薄膜和3cm 草袋，风速 110
3、.70（2） 大气温度没有实测数据，依据最近气温状况取固定值 15。地基土侧面、底面以及除了和承台接触局部的顶面施加固定温度，固定温度取与大气平均温度全都，为15。2、力学边界地基土侧面、底面施加固定约束，构造对称面约束对应方向的法向自由度。2.2 计算参数混凝土的绝热升温 K 可通过式2.1计算。QK =0(W + kF )cr2.1式中：Q0水泥最终水化热，kJ/kg，取 377；W单位体积混凝土中水泥用量，kg/m3； F单位体积混凝土中混合材料用量，kg/m3； k混合材料水化热折减系数，粉煤灰取 0.25，矿粉取 0.463； c混凝土比热 kJ/(kg)，取 0.96；混凝土密度，
4、kg/m3，取 2500。混凝土绝热升温公式按式2.2计算。T (t )= K (1- e-nt )2.2混凝土绝热升温6050403020100024681012141618202224262830时间/天假设混凝土承受一般硅酸盐水泥，水泥添加量 340kg/m3，粉煤灰添加量 85kg/m3，浇筑温度为 15，则最大绝热升温为 K=56.75，导热系数n 随水泥品种、外表比及浇筑温度不同而不同，浇筑温度为 15可取 n=0.340，混凝土绝热升温时程图见图 2-2。图 2-2 混凝土绝热升温图混凝土和地基的相关计算设定如表 2-2，其中地基参数为参考数据。表 2-2 相关计算参数材料密度/
5、(kg/m3)弹性模量/GPa线膨胀系数/-1泊松比混凝土250032.50.000010.2地基土18370.30.000010.2材料比热/kJ/(kg)热传导系数环境温度/初始入模温度/混凝土0.96101510地基土0.75315152.3 冷却管冷却管布置两层，第一层距离承台底面1m，其次层距离承台顶面1m，水管横向距离承台侧面 0.6m，水管之间间距 1m，如图 2-2 所示。各层冷却管自各层混凝土浇筑后通入冷水，待浇筑完毕 15 天后停水，流量 1020L/min。水冷管对流系数取 1338kJ/(m2h)。3 计算工况设计图 2-3 冷却管平面布置图表 3-1 计算工况工况浇筑
6、方式工况一分层浇筑承台侧面2cm 木模2cm 草袋，风速 0承台顶面冷管流量 冷管水流初温浇筑温度环境温度3cm 草袋，风速1m/s20L/min151515工况一次浇筑24 温控标准为保证承台在施工过程中的内部温度在把握范围内，避开承台开裂，依据大体积混凝土施工标准GB_50496_2023和大路桥涵施工技术标准JTG/T 3650-2023引入温控标准如下：（1） 混凝土内部最高升温温度小于 50；（2） 混凝土的内表温差小于 25 ；（3） 使混凝土的降温速率小于 2 /d；（4） 浇混凝土与下层已浇筑混凝土的温差小于 20。5 计算结果分析5.1 温度分析60555045 40/度 3
7、5温 30252015底面距底0.5m 距底1m 距底1.5m 距底2m 距底2.5m 距底3m顶面05101520时间/d253035利用有限元软件，进展工况一方案下承台浇筑的温升计算。由于承台最大温度一般在中心，故提取承台中轴竖线不同高度的 7 个点的温度变化，图 5-1 所示。图 5-1 承台中轴竖线不同高度温度图由图 5-1 可见，浇筑混凝土的第 1 到 3 天升温速率最快，在第一层浇筑后，最高温度为高 0.5m 处的位置，为 51，在其次层浇筑后，最高温度为高 2.5m 处的位置，为 55.5， 最大升温值为 40.5，满足混凝土内部最高升温温度小于 50的要求。在第一层浇筑的 7
8、天内，中心竖轴上最大温度差为8.5，其次层浇筑后，最大温度差为16.0，温差均不超 过 25。承台中轴竖线不同高度的 7 个点的温度变化率见图 5-2，减温最快的为顶面处，但小于 2 /d，满足要求。543d/度速21温0降12底面距底0.5m 距底1m 距底1.5m 距底2m 距底2.5m 距底3m顶面3051015时间/d20253035图 5-2 承台中轴竖线不同高度降温速率图为了分析承台各位置内表温差状况，提取各断面温度差，各断面位置及编号见图 5-3。图 5-4 为各断面中心温度与侧面温度差时程图，图 5-5 各断面中心温度与顶面面温度差时程图。可见断面 1 的内部与侧面的温度差超过
9、了 25，其他均低于 25。总体上看，中心和顶面的温差较小，在 515 摄氏度之间，而中心和侧面的温差较大，在 1025之间。由此可知，承台侧面的保温措施需要进一步加强。00507610054001220/2承台对称线断面1断面2 断面3断面4 断面5图 5-3 断面位置及编号图承台 1/2 平面图3025 20/差温 15表内105断面1断面2 断面3 断面4断面5005101520时间/d253035图 5-4 各断面内部与侧面温差图2520 15/差温表 10内断面1断面2 断面3 断面4断面5507121722时间/d2732375.2 应力分析图 5-5 各断面内部与顶面温差图由于混
10、凝土内外温差引起的内部约束是产生应力的主要缘由，内部约束是因混凝土在温度荷载作用下产生不规章的体积变化引起的。在混凝土浇筑初期，因外表和内部较大的温差引起膨胀变形，从而使混凝土说明和内局部别产生拉应力和压应力。水化热引起的温升到达最高值后混凝土开头降温，所以在浇筑后期，与初期材龄时相反混凝土内外将产生收缩变形差。由于内部的收缩变形比外部大，所以内部产生拉应力，外部产生压应力。内部约束引起的应力大小与构造内部和外外表温差成比例。提取承台各外表中点和内部中心的应力以及容许抗拉强度时程图，见图 5-8，结果说明大侧面中心的应力超过了容许应力，其余所考虑的 4 个位置的应力都不超过容许拉应432101234应力容许01020304321012应力容许010203040力。a承台中心(b)大侧面中心应力容许应力容许3.532.521.510.56 结论c小侧面中心(d)顶面中心3.532.521.510.50010203007172737图 5-8 承台各位置应力与容许应力时程图横轴:时间/d, 纵轴:应力/MPa1、工况一施工条件下，内部和侧面的温差大于或接近 25，侧面保温措施需要加强。2、大侧面中心的拉应力超过容许应力。
