02-承台大体积砼水化热分析计算书

目 录

1 计算依据 ......................................................................................................................... 1 2 工程概况 ........................................................................................................................... 1 3 承台混凝土施工 ............................................................................................................... 1 4 承台温控分析 ................................................................................................................... 1 4.1 冷却水管设计 ............................................................................................................. 1 4.2监测点布设 .................................................................................................................. 3 4.3 仿真分析 ..................................................................................................................... 4 4.3.1 仿真建模与分析过程 .......................................................................................... 5 4.3.2 模型基本数据 ...................................................................................................... 5 4.4 仿真分析结果 ............................................................................................................. 7 4.4.1 冷却管水温情况 ................................................................................................ 7 4.4.2 承台温度情况 .................................................................................................... 9 4.4.3 承台应力情况 .................................................................................................. 10 4.4.4 监控点时程图 .................................................................................................. 14

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济南黄河公铁两用桥

承台大体积砼水化热分析计算书

1 计算依据

1.1 《济南黄河公铁两用桥设计图》； 1.2 《建筑施工计算手册》；

1.3 《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》（2005）175； 1.4 《铁路工程结构混凝土强度检测规程》TB10426-2004； 1.5 MIDAS软件2012版。

2 工程概况

济南黄河公铁两用桥施工起讫里程为DK41+910.6～DK423+703.03，全长1792.42m。 主墩最大承台为50.45×24.2（纵桥向）×6m（下层厚）的整体式钢筋混凝土结构， 承台混凝土采用C40混凝土，总方量7325.34m3。

3 承台混凝土施工

在南大堤南侧设2台HZS180型混凝土拌和站，盘容量3 .0m3，每盘料的搅拌时间是120s，一个站正常情况下生产20 盘（共60 m3）混凝土，每个拌合站混凝土的每小时的生产量可达60 m3。

根据大体积温控设计、承台混凝土方量以及粗细集料的储存能力，将承台分2层进行浇筑：第1次浇筑高度3m，混凝土方量3662.67m3，浇注速度为120m3/h左右，浇注时间约31h；第2次浇筑高度3m，混凝土方量3662.67m3，浇注速度为120m3/h左右，浇注时间约31h。

4 承台温控分析

采用大型有限元MIDAS软件来计算该承台施工期内部温度场及仿真应力场，并根据计算结果制定不出现有害温度裂缝的温控标准和相应的温控措施。该软件能够模拟混凝土的浇注、成长过程，能考虑到分层分块浇筑、分层厚度、浇筑温度、施工间歇期、混凝土水化热的散发规律、养护方式、冷却水管降温、外界气温变化、混凝土及基岩弹模变化、混凝土徐变等复杂因素。

4.1 冷却水管设计

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根据混凝土内部温度分布特征及控制最高温度的目标，承台埋设四层冷却水管，水管水平间距1m，第一层冷却水管距承台顶1m,第二层距第一层1.5m，第三层距第二层1m，第四层距第三层1.5m,冷却水管内径42mm。冷却水管可采用丝扣连接或橡胶管套接，确保不漏水。采用橡胶管套接时，两根冷却水管在橡胶套管内应对碰，避免橡胶管弯折阻水，用多重铁丝扎紧。单根冷却水管长度不超过200m。

50504549455023×17050水泵进水管?=100出水管?=1002420

图4.1.1 承台第1/3层冷却水管平面布置示意图

50水泵进水管?=100232050出水管?=1005049×15045 图4.1.2 承台第2/4层冷却水管平面布置示意图

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=100进水管出水管100150100150100砼浇筑分界线5045图4.1.3 承台横桥向冷却水管立面布置示意图

=100300出水管=100进水管300 出水管100150100150100=100进水管2420图4.1.4 承台纵桥向冷却水管立面布置示意图

300出水管300 4.2监测点布设

（1）监测仪器及元件

温度检测仪采用JGY-100型智能化数字多回路温度巡检仪，温度传感器为PN结温度传感器。

JGY-100型智能化温度巡检仪可自动、手动巡回检测128点温度，并具有数据记录和数据掉电保护、历史记录查询、实时显示和数据报表处理等功能。该仪器测量结果可直接用计算机采集，人机界面友好，并且测温反应灵敏、迅速，测量准确。

（2）监测元件的布置

测点的布置按照重点突出、兼顾全局的原则。根据结构的对称性和温度变化的一般规律，在承台沿桥中心线对称的一侧布设测点。温度传感器在每层混凝土接近中心线上布置，该区域能够代表整个混凝土断面的最高温度分布。在平面内，由于靠近表面区域温度梯度较大，因此测点布置较密，而中心区域混凝土温度梯度较小，因此测点布置减少。承台混凝土中布设2层测点，共20个。

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50454004004004004004004004004001222420 图4.2.1 承台测温点平面布置示意图

2420600150300150

图4.2.2 承台测温点立面布置示意图

4.3 仿真分析

对于桥梁承台大体积混凝土需要考虑水化热引起的温度应力，温度应力引起的裂缝具有裂缝宽、上下贯通等特点，因此对结构的承载力、防水性能、耐久性等都会产生很大影响。

大体积混凝土的温度应力是由于浇注混凝土后，水泥的水化反应（放热反应）导致的混凝土体积的膨胀或收缩，在受到内部或外部的约束时而产生的。 混凝土水化热引起的应力可以分为内部约束应力和外部约束应力两大类。 内部约束应力是指由于混凝土内部不同的温度分布引起的不同的体积变化而导致的应力。即，水化反应初期由于中心部分温度比表面温度高，会导致表面产生拉应力；而温度开始下降时中心部分的收缩会比表面部多，此时中心部会产生拉应力。内部约束应力的大小与内外温差成比例。

外部约束应力是指新浇筑的混凝土，由于水化热而发生的体积变化，受到与其接触的已浇筑混凝土或者地基等的约束而产生的应力。外部约束的作用与接触面积的大小和外

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部约束的刚度等因素相关。

水化热分析包括热传导分析(Heat Transfer Analysis)和热应力分析(Thermal Stress Analysis)两个过程。 热传导分析是通过考虑水泥水化反应时产生的热量、对流、传导等因素计算随时间变化的各节点的温度的过程。 热应力分析是利用计算得到的各节点的不同时间的温度，考虑随时间和温度变化的材料特性、干缩、随时间和应力变化的徐变等，来计算大体积混凝土各施工阶段的应力的过程。

4.3.1 仿真建模与分析过程

4.3.2 模型基本数据 4.3.2.1 模型建立

MIDAS模型中分别将承台混凝土和地基模拟成具有一定比热和热传导率的结构。对于浇筑混凝土后的336个小时进行了水化热分析，其中管冷作用于336个小时，承台及地基整体模型如下：

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图 承台及地基整体模型

由于模型具有对称性，所以这里只取1/4模型进行建模和分析。这样不仅可以提高建模速度、缩短分析时间，而且也便于查看内部温度分布以及应力发生状况，1/4承台及地基整体模型如下：

图 1/4承台及地基整体模型

4.3.2.3 施工阶段及步骤

下层承台施工为第一阶段，上层承台施工为第二阶段。

第一阶段分为15个步骤，第一个步骤0~10小时，第二个步骤10~24小时，第三个步骤24~48小时，以24小时为一步骤，直至第十五个步骤312~336小时。

第二阶段同样分为15个步骤，第一个步骤336~346小时，第二个步骤346~370小时，同样以24小时为一步骤，直至第十五个步骤8~672 小时。

4.3.2.3 材料和热特性数据

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特性 比热（kcal/kg ℃） 容重（KN/m³) 热传导率（kcal/m hr ℃） 外表面 对流系数（kcal/m2 hr ℃） 钢模板 外界温度（℃） 浇筑温度（℃） 28天抗压强度（Mpa) 强度发展系数（ACI） 28天弹性模量（KN/m³) 热膨胀系数 泊松比 每立方米水泥量（kg/m³) 热源函数系数 基础 0.25 25 2.3 12 15 15 15 40.0 a=4.5 b=0.95 3.25×10^7 1.0×10^-5 0.18 350 K=41 a=0.759 地基 0.2 18 1.7 12 - - - - - 1.0×106 1.0×10^-5 0.2 - - 4.4 仿真分析结果 4.4.1 冷却管水温情况

每层选取一个具有代表性的冷却管作为代表，分别取1/3处、2/3处、出口处进行观察。进口处水温15℃

4.4.1.1 第一层冷却管

此层三个代表点的节点号为1/3处36601、2/3处36756、出口处36907。

步骤 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 阶段 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 时间（h） 36601 10 26.4 24 36.2 48 43.1 72 43.1 96 40.8 120 37.7 144 34.7 168 32.0 192 29.7 216 27.7 240 26.0 2 24.5 288 23.3 312 22.3 336 21.4

节点号 36756 26.3 35.5 40.2 38.3 34.6 30.9 27.8 25.3 23.4 21.8 20.6 19.7 18.9 18.3 17.8 36907 20.5 25.4 28.3 28.1 26.6 25.2 23.9 22.6 21.6 20.7 19.9 19.3 18.7 18.3 17.9 7

通过结果表格，选择管冷作用时期的所有步骤，可以查看冷却水的温度变化。如表格所示，管冷1/3位置处节点36601温度在步骤4（即第一层混凝土浇筑后72h）时温度已经上升到了43.1℃。

4.4.1.2 第二层冷却管

此层三个代表点的节点号为：1/3处51165、2/3处53407、出口处53410。

步骤 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 阶段 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 CS1 节点号 时间（h） 51165 53407 10.0 26.2 26.2 24.0 34.5 35.0 48.0 37.0 38.7 72.0 33.3 36.2 96.0 29.0 32.6 120.0 25.4 29.3 144.0 22.7 26.6 168.0 20.7 24.4 192.0 19.3 22.7 216.0 18.3 21.4 240.0 17.6 20.3 2.0 17.0 19.4 288.0 16.6 18.7 312.0 16.3 18.1 336.0 16.0 17.6 53410 20.4 23.4 22.8 21.0 19.8 18.8 18.1 17.5 17.1 16.7 16.4 16.2 16.0 15.8 15.7 通过结果表格，选择管冷作用时期的所有步骤，可以查看冷却水的温度变化。如表格所示，管冷2/3位置处节点53407温度在步骤3时（即第一层混凝土浇筑后48h）温度已经上升到了38.7℃。

4.4.1.3 第三层冷却管

此层三个代表点的节点号为：1/3处62509、2/3处626、出口处62917。

步骤 1 2 3 4 5 6 7 阶段 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 时间（h） 10.0 24.0 48.0 72.0 96.0 120.0 144.0

62509 26.2 35.3 40.6 39.8 37.2 34.3 31.6 节点号 626 26.1 34.6 37.6 34.8 30.9 27.5 24.8 62917 26.2 35.3 40.5 39.6 37.0 34.0 31.3 8

8 9 10 11 12 13 14 15 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 168.0 192.0 216.0 240.0 2.0 288.0 312.0 336.0 29.3 27.3 25.6 24.2 23.0 22.0 21.1 20.4 22.7 21.2 20.0 19.1 18.4 17.8 17.4 17.0 29.0 27.0 25.3 23.9 22.8 21.8 21.0 20.3 通过结果表格，选择管冷作用时期的所有步骤，可以查看冷却水的温度变化。如表格所示，管冷1/3位置处节点62509温度在步骤3时（即第二层承台浇筑后48h）温度已经上升到了40.6℃。

4.4.1.4 第四层冷却管

此层三个代表点的节点号为：1/3处76773、2/3处78811、出口处78815。

步骤 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 阶段 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 CS2 节点号 时间（h） 76773 78811 10.0 26.3 26.3 24.0 36.0 35.9 48.0 42.1 42.0 72.0 41.0 41.4 96.0 37.3 38.3 120.0 33.2 34.6 144.0 29.5 31.2 168.0 26.4 28.3 192.0 23.9 25.8 216.0 22.0 23.8 240.0 20.5 22.2 2.0 19.3 21.0 288.0 18.4 19.9 312.0 17.7 19.1 336.0 17.2 18.4 78815 26.4 36.1 42.5 42.0 38.9 35.3 31.8 28.8 26.3 24.2 22.5 21.2 20.1 19.2 18.5 通过结果表格，选择管冷作用时期的所有步骤，可以查看冷却水的温度变化。如表格所示，管冷出口部节点78815温度在步骤3时（即第二层混凝土浇筑后48h）温度已经上升到了42.5℃。

4.4.2 承台温度情况 4.4.2.1 下承台温度情况

通过对各阶段的比对，步骤4时（即第一层混凝土浇筑后72h）最高温度最大，步骤4

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温度情况如下图：

通过对结果分析，下承台在步骤4时内外温差最大，内外温差最大为31.3℃。

4.4.2.2 上承台温度情况

通过对各阶段的比对，步骤4时（即第二层混凝土浇筑后72h）最高温度最大，步骤4温度情况如下图：

通过对结果分析，下承台在步骤4时内外温差最大，内外温差最大为30.1℃。

4.4.3 承台应力情况 4.4.3.1 下承台应力情况

（1）外表面应力情况

通过对结果分析，下承台在步骤4时sig-XX外表面发生最大拉应力0.94Mpa，此时应力分布图如下：

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在步骤4时sig-YY外表面发生最大拉应力0.97Mpa，此时应力分布图如下：

在步骤4时sig-ZZ外表面发生最大拉应力0.94Mpa，此时应力分布图如下：

（2）内部应力情况

钝化承台表面及地基部分，只激活下承台内部部分。

通过对结果分析，上承台在步骤4时内部sig-XX发生最大拉应力0.88Mpa，此时应力分布图如下：

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在步骤4时内部sig-YY发生最大拉应力0.69Mpa，此时应力分布图如下：

在步骤4时内部sig-ZZ发生最大拉应力0.88Mpa，此时应力分布图如下：

4.4.3.2 上承台应力情况

（1）外表面应力情况

通过对结果分析，上承台在步骤4时（即第二层承台浇筑后72h）sig-XX外表面发生

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最大拉应力1.27Mpa，此时应力分布图如下：

在步骤4时sig-YY外表面发生最大拉应力1.06Mpa，此时应力分布图如下：

在步骤4时sig-ZZ外表面发生最大拉应力0.9Mpa，此时应力分布图如下：

（2）内部应力情况

钝化承台表面及下承台部分，只激活上承台内部部分。

通过对结果分析，上承台在步骤15时（即第二层混凝土浇筑后336h）内部sig-XX

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发生最大拉应力1.23Mpa，此时应力分布图如下：

在步骤15时内部sig-YY发生最大拉应力0.92Mpa，此时应力分布图如下：

在步骤4时内部sig-ZZ发生最大拉应力0.Mpa，此时应力分布图如下：

4.4.4 监控点时程图

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水化热分析以时程图形的方式提供各部分（节点）的应力、容许应力、温度、应力比等结果。成果书分别选取了上下承台表面点3个点和内部1个节点共8个点查看分析结果。

4.4.4.1 监控点的选取

下承台选取3121、52411、57385、42085四点，位置如图所示，3121位于第一层冷却管处，52411位于第二层冷却管处，57385处于下承台顶面，42085处于下承台内部。

上承台选取4140、77809、87985、72685四点，位置如图所示，4140位于第三层冷却管处，77809位于第五层冷却管处，87985处于上承台顶面，72685处于上承台内部。

4.4.4.2 监控点时程图

（1）节点3121 应力和容许应力时程图

温度时程图

（2）节点52411 应力和容许应力时程图

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温度时程图

（3）节点57385 应力和容许应力时程图

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温度时程图

（4）节点42085 应力和容许应力时程图

温度时程图

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（5）节点4140 应力和容许应力时程图

温度时程图

（6）节点77809 应力和容许应力时程图

温度时程图

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（7）节点87985 应力和容许应力时程图

温度时程图

（8）节点72685 应力和容许应力时程图

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温度时程图

4.5 实际施工中承台温控建议

采用大型有限元MIDAS软件来计算该承台施工期内部温度场及仿真应力场，并根据计算结果制定不出现有害温度裂缝的温控标准和相应温控措施。

（1）温控要求

基于仿真计算结果，结合已有现场经验，按照施工流程，从配合比优化到养护完成提出以下控制要求。混凝土性能、工艺要求：

① C40混凝土绝热温升小于41℃；

② C40混凝土28天劈裂抗拉强度不大于1.7MPa。 ③ 水泥、粉煤灰、矿粉温度不宜高于50℃； ④ 混凝土入仓温度不宜高于15℃；

⑤ 混凝土施工前，应进行计量标定，称料误差符合规范要求，严格按确定的配合比拌制。

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⑥ 混凝土按规定厚度、顺序和方向分层浇筑，在下层混凝土初凝前浇筑完上层混凝土。

⑦ 两层混凝土浇筑间歇期不宜超过14天； （2）保温、养护要求

① 内部最高温度不超过45℃，内、外温差小于31℃； ② 混凝土降温速率不宜大于3℃/d；

③ 混凝土表面的养护水温度与混凝土表面温度之差不应大于15℃，养护用水采用自来水；

④ 混凝土内部均温与环境温度之差小于20℃方可拆模。

降低混凝土的入仓温度对控制混凝土裂缝非常重要。在混凝土开盘前，可通过测量水泥、粉煤灰、砂、石、水的温度，估算入仓温度。

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