安徽建筑 ２０１１年第１期（总１７６期） 大体积承台施工水化热分析 Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｏｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｈｅａｔ ｏｆ Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｓｓ Ｏａｐｓ 陈青华 ，陶毓先 ，李志浩 （１．阜阳市重点工程建设管理局，安徽摘阜阳２３６０００；２．合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥２３０００９） 要：通过对大体积承台内部各点的水化热温度实测值与有限元软件模拟计算理论值的比较，结合施工现场的实际情况，分析产生误差的原因， 从而有助于工程技术人员更好的认识承台大体积混凝土温度变化的规律及有限元软件的模拟效果。 关键词：承台；大体积混凝土；水化热；有Ｉ￣ＪＬ；理论值；实测值 中图分类号：Ｕ４４５．５５岣 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００７—７３５９（２０１ １）０１－００４５－０３ ■■■■——■ Ｉ＿一＿●＿ ＝＝＝ －■—■● １ 工程概况 阜阳市颍上路泉河大桥工程位于城市中心区域，是阜阳市 重点工程，项目（含桥梁）全长约８９０ｍ。主墩承台为钢筋混凝土 结构，采用Ｃ３０混凝土，尺寸为２２．５ｍ Ｘ １０．５ｍ×３．５ｍ（长×宽Ｘ 高），基坑开挖采用钢板桩围堰。承台采用一次性浇筑，全部浇 筑用时１２ｈ。 ２冷管布置 承台内部采用４层冷管布置，管内径为３８ｒａｍ，冷却水管距 承台顶面和底面的距离分别为０．６ｍ、０．５ｍ，详细布置图如图１。 ３测温方案 每个承台各布测温点８个，分别测试混凝土表面温度与内 部温度，其中测点１至测点６布置在表面，测点７、测点８布置 在内部（如图２所示）。根据计算和监控经验，大体积混凝土的 温差变化在前２ｄ～３ｄ内波动最大，因此在这段时间进行不间断 测量，测试频率为６１ｄ次，测试时要求记录以下数据：测温时 间；测点温度值；异常情况如雨、风等出现的时间；现场处理情 况。 ４承台温控计算模拟分析 根据设计图纸，进行承台施工阶段水化热模拟分析，得出 承台施工期间的温度场和温度应力场分布，为实测温度的发展 提供参考，以便及时采取措施保证工程质量。 温控计算采用ＭＡＤＡＳ有限元计算软件进行，该软件能够 模拟承台在浇筑后的整个温度变化过程，考虑了混凝土的浇筑 温度、混凝土水化热的散发规律、冷却水管降温、外界气温变 化、混凝土弹模变化、混凝土徐变等复杂因素。 ４．１模拟分析参数 承台混凝土采用普通硅酸盐水泥，用量为２９０ｋｇ／ｍ，，粉煤 灰用量为７０ ｋｇ／ｍ３，通过冷管中的水循环来降低混凝土内部的 水化热温度。材料及冷管的具体计算参数如表１、表２。 收稿日期：２０１０—１２－２８ 作者简介：陈青华（１９７８－），男，安徽阜阳人，毕业于同济大学，助理工 程师。 承台及地基的材料参数 表１ 施 工 技 术 研 究 与 应 用 冷却管平面布置示意图 ／出水口 冷却管断面布置示意图 图１冷管布置图 温度测点布置立面图 图２温度监测点布置图（单位：ｃｍ） ２０１１年第１期（总１７６期） 安徽建筑 Ｉ ±Ｑ ± ’ Ｑ ［Ｑ ｏ２（ｗ５＋ｗ ｗ ｗ Ｑ２（ｗ５＋ｗ 式中：Ｑ。、Ｑ — ０为砂、石的含水量，以％计 Ｗｓ、 、 、ｗ。『＿＿一分别为每方混凝土中砂、石、水泥 和水的重量 、 、ｒｒｃ、Ｔ 一分别为砂、石、水泥和水的温度 混凝土拌和前，应该把石子、砂子、拌和用水预先进行冷却 —■●■■＿＿●－＿一 ｌ 处理，降低混凝土的出料口温度，从而降低混凝土的浇筑温度。 图３ １／４模型的网格划分 Ｍ尬 ＳＥ 词 Ｐ０ＳＴ—ＰＲＯＣＥＳＳ０Ｒ ｎ：ＭＰＥＲＡＴＵＲＥ 根据以往施工控制资料和本项目具体情况，计算分析时 取为２５ｃｃ。 ＝ ——・＿一 施 菜 究 壹 用 ５．８１７６２ｅ，＇－００ ｚ￣ｉｉ ４ ．５ ２０ ２ ７ｅ ＋００ 鬈４ ．０５８７５８３２７ｅｅ＋＋００００ｉ 鑫筹 ： ＳＴＡＧＥ・ＣＳ１ Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ＨＹ Ｓｔｅｏ６，３６，ＯＨｒ ＭＡＸ：５０３４ ＭＩＮ：ｌ６３０ 文件：泉河太桥承台 单位：Ｃ 日期：ｌ１／２５／２０１０ 嚣方 Ｙ：一０ ８３７ 图４承台内部温度云图 Ｚ：０ ２５９ ４０．０ ３５．０ ３０．ｏ 。 ２理论值 ２０．ｏ ２实际值 越１５．０ １理论值 娟１ｏ．ｏ １实际值 ５．０ Ｏ．Ｏ ０ ００ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ 。 ｔ＿．＂ｑ 昌 普 暑 磊 ｇ 时间单位：ｈ 图５测点１和测点２的温度比较图 ６０ ５０ ４０ ３０ ７理论值 ２０ ７实测值 １Ｏ 式中：卜混凝土运输和浇筑时的气温； ０，、…… ——系数，其值如下： 混凝土装、卸和转运，每次０＝０．０３２； 混凝土泵送时０＝０．００１８７＂， 为运输时间，以ｒａｉｎ计； 浇筑过程中０＝０．００３＂ｒ，ｒ为浇捣时间，以ｍｉｎ计。 卜拌和温度，按以下公式计算： ４．２．２最终绝热温升Ｔ 式中：ｗ——单位体积水泥用量（ｋｇ／ｍ，） Ｑ（广一单位重量水泥的最终发热量（ｋＪ／ｋｇ） ｃ——混凝土比热（ｋＪ／ｋｇ・℃１ ｐ一混凝土容重（ｋｇ／ｍｓ） 根据以上取值计算的最终绝热温升为： Ｔｏ＝ＷＱｄ（ｑｏ）＝２９０×３３０／（０．９６ Ｘ ２４００）＝４１．５℃ ４．３模型及边界条件的选取 基于承台结构对称的特点，考虑冷却水管，采取１／４镜像结 构进行网格划分计算，这样缩短了模型的计算时间，模型的单 元总数为７８９６，节点总数为９５１２。为了模拟承台混凝土将热 量传递给周围土层的情况，将地基模拟为具有一定比热和热传 导率的结构，不考虑桩基的影响。分别将地基与承台的接触 面，承台与空气的接触面定义为第一类和第二类边界条件，将 两个对称面定义为对称边界条件，并附加相应的约束条件和温 度条件。计算时，考虑混凝土收缩徐变对混凝土应力的影响。 计算模型网格划分及冷管布置图见图３。 ５水化热结果分析 ５．１有限元分析结果 承台浇筑之后，整体温度持续升高，大约在３６ｈ左右，测点 ７与测点８温度可达峰值约为４７．６￣Ｃ，之后承台整体温度开始 下降。内部温度始终高于表面温度，因为承台内部水化热产生 的热量积聚，不容易散发。图４是温度达到峰值时的承台温度 云图。 ５．２理论值与实测值比较分析 承台内部共布置有８个温度传感器，选取测点１、２、７，将 其理论值与实际值作比较，如图５和图６。 从图５中可以看出测点１、测点２的实际值和理论值变化 的趋势比较一致，其中相差最大地方大约有５￣Ｃ～６℃。主要原 因是因为有限元软件在模拟温度场变化时，承台顶面的边界条 件只是考虑成混凝土与空气接触，并没有考虑混凝土表面的蓄 水养护。当混凝土表面蓄水时，由于水的温度较低（１０℃左 右），且比热较大，导致承台表面大量的热量被吸收，温度降低。 可见，在水温度较低时，混凝土表面不宜大量蓄积，这样会导致 承台内部温差增大，因此可利用冷却水管出水口的温水进行蓄 水养护。测点２由于较测点１更靠近承台中心，所以其温度较 测点１高。 从测点７的温度比较图（图６）可以看出，温度的实测值在 （下转第５３页） 安徽建筑 ２０１１年第１期（总１７６期） 起来不灵活，不能有效的对柱截面变化作出调整，达不到一次 适用于框架结构的工业与民用建筑工程，对柱截面的渐变 可及时应对，可塑性很强。 ４．２改善了施工质量 投入、多次周转的目的。本工程采用的是１０＂槽钢的翼缘进行 加固，正好利用的是槽钢的主受力部位，在施工过程中可以有 效的避免槽钢受力后变形，对柱截面变化能够积极有效的应 对，真正达到了一次投入、多次周转的目的。 ３．３技术要点 用槽钢加固，再配优质模板，浇筑完后的混凝土观感可达 到清水混凝土标准。 ４．３节约成本 ①下料时要先熟悉图纸，准确把握柱截面的变化，力争做 ①用槽钢翼缘加固，比用腹壁加固更能增加周转次数，有 到下料的每根槽钢均可以满足２－３次柱截面变化后加固的要 求。下料时要比柱单边截面尺寸长４０ｃｍ，一边２０ｅｒａ为最优。其 效防止槽钢变形，同时对变截面框架柱可积极应对。用槽钢翼 ————■—■一 ｌ——－—●■—一 缘加固比用腹壁加固，槽钢回收后有效利用率增加４０％以上， 构工期１５％，节省周转材料费用８％。 ②对采用槽钢加固的框架柱，混凝土外观美、平整度好，具 有清水混凝土的特点，可省去装饰抹灰层，大大节省施工成本。 ③节省租赁费用。 ４．４安全及环境 中ｌＯｅｍ为方木的宽度，另外ｌＯｏｍ为加固槽钢的宽度，如框架 柱截面变化不大，可在同一根槽钢上适当的调整尺寸，满足不 节约材料费２０％。用槽钢翼缘加固比用钢管加固，缩短主体结 ■●■■■一＝＝＝ 同需求（如图２所示）。目前市场上采用的对拉螺杆大多为 ，￣１２ｍｍ，钻孔的孔径一般比螺杆大一号，选用＠１４的钻头。 ②在加固前确保木枋的平直度能够满足要求，保证加固后 木枋充分受力，框架柱成型后的观感最优。 ③采用钢箍加固，其钢箍间距要控制在５０ｅｒａ以内，槽钢受 力较均匀，施工效果最好。 ④高强对拉螺杆的螺帽（蝴蝶卡）要拎紧，对大截面的框架 柱必要时要增加双螺帽，充分保证构件的几何尺寸满足要求。 ⑤拆模后的效果见图１ｄ。 ３．４注意事项 ①用槽钢加固，槽钢每层周转是靠人工搬运，安全有保证。 比用钢管加固大大降低了在吊装周转过程中短钢管及扣件坠 落，发生安全事故的概率。 ②可有效防止短钢管、扣件的丢失。 ③对于临街工程可有效降低高空坠落、物体打击的概率。 ④减少了噪声。 由于加固的槽钢较重，在拆模前对班组进行安全和技术交 底，不准将槽钢向楼面上抛弃，以免破坏混凝土结构面层。 ⑤占用堆场小。 施 工 采用槽钢加固，最好配备优质模板，浇筑完后的混凝土观 感及几何尺寸更有保障，外观效果可达到清水混凝土介面，可 以省去装饰抹灰层，既经济又环保还可节省资源。 ５结论 技 术 研 本技术通过对传统工艺的优化，对现有工艺的改良，使得框 架柱加固操作起来更灵活、更方便。节省了周转材料、节省了工 程直接成本和管理费用。对安全文明施工、总平面管理都取得了 究 与 应 用 ４技术特点分析 ４．１适用范围广泛 木术术爿ｃ）Ｉ：术木爿ｃ木术术术木术爿ｃ木：Ｉｃ木木木爿ｃ术木木很好的效果。使工程质量等级得到了提高，对企业品牌形象也有 很大提升，值得在框架结构的工业与民用建筑中推广应用。 车爿ｃ爿ｃ术术木木爿ｃ：Ｉｃ木术木术爿ｃ术）Ｉｃ木术爿ｃ术术术木 （上接第４６页） 初期是略高于理论值。这是由于初期时通水的流量较小，后期 措施，提高工程质量。 因发现内部温度较高，加大了通水速度，后期的温度曲线与有 限元软件模拟的曲线符合得比较好。产生这种误差的主要原 因，是建模型时只能设定一个固定的通水速度，所以无法和实 际情况完全一致。另外，浇筑混凝土的整个过程持续了１２ｈ，而 建模型时无法模拟混凝土浇筑时间和浇筑速度，当承台浇筑结 束并通水时，承台下部先浇筑的混凝土温度已较高，这也是导 ②大体积混凝土施工一定要把内外温差控制在允许范围 内。尽量避免在高温季节施工，这样不利于散热，会促使内外温 差过大。 ③承台表面的养护和保温工作对承台的施工质量作用很 大，不仅能使内外温差减小，也有助于提高混凝土早期强度，防 止产生温度裂缝。 致初期实测温度高于理论值另一个重要原因。 参考文献 ６结论 ［１］朱伯芳．大体积混凝土温度应力和与温度控制【Ｍ】．北京：中国电力 出版社，１９９９． ①本文通过对有限元软件建立的模型与实测温度进行比 较不难发现，由于实际情况比较复杂，难以模拟得和实际一样。 ［２］王朝龙．大体积承台混凝土水化热温升控制技术方案【Ｍ】．北方交 通。２０１０（６）． 安 徽 但总体上来讲，模拟的效果还是不错的，例如：温度峰值出现的 时间、温度的发展趋势和承台内部点的温度，并且产生误差的 原因也可以分析出。合理地利用有限元软件对大体积混凝土水 化热进行模拟，有助于科学地预见其温度发展趋势，及时采取 ［３］康省桢．承台大体积混凝土水化热分析与施工控制们．世界桥梁， ２Ｏ０８（２）． 建 筑 ［４］熊．韬．浅谈大体积混凝土的施工温度与裂缝【Ｊ】．科技资讯，２００９ （３４）． ［５］何鹏．混凝土施工温度与裂缝叨．青岛大学学报，２０ｏ８（３）． ＿
