承台水化热分析计算书

8#墩承台水化热分析计算书
1 计算依据
(1) 施工设计图；
(2)《建筑施工计算手册》；
(3)《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010；
(4)《大体积混凝土施工规范》GB 50496-2009；
(5) MIDAS设计手册。

2 工程概况
8#墩左右福各一个索塔承台，单个承台为18.6×13.6×4.5m钢筋混凝土结构，采用C35混凝土。

3 承台混凝土施工
承台混凝土模板采用木模，混凝土一次性浇筑，时间约20h。

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
根据混凝土内部温度分布特征及控制最高温度的目标，承台埋设三层冷却水管，水管水平间距为0.8m，竖向间距为1.25+1.0+1.25m，冷却水管内径27mm。

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。

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图4-1 承台单层冷却水管平面布置示意图(单位：cm)
图4-2 承台冷却水管立面布置示意图(单位：cm)
4.2 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
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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。

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。

4.2.1 仿真建模与分析过程
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4.2.2 模型基本数据
4.2.2.1 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1000个小时进行了水化热分析，其中冷却管作用于336个小时。

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：
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图4-3 1/4承台及地基整体模型
4.2.2.3 施工阶段及步骤
施工阶段分为14个步骤，见下表。

表4-1 施工步骤统计表
施工步骤时间(小时) 备注
1 0～24 通水冷却
2 24～48 通水冷却
3 48～72 通水冷却
4 72～96 通水冷却
5 96～120 通水冷却
6 120～144 通水冷却
7 144～168 通水冷却
8 168～192 通水冷却
9 192～216 通水冷却
10 216～240 通水冷却
11 240～264 通水冷却
12 264～288 通水冷却
13 288～312 通水冷却
14 312～336 通水冷却
15 336～360
16 360～400
17 400～500
18 500～700
19 700～1000
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4.2.2.3 材料和热特性数据
表4-2 材料和热特性数据统计表
4.3 仿真分析结果
4.3.1 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10℃。

4.3.1.1 第一层冷却管
此层三个代表点的节点号为：1/3处15269、2/3处15125、出口处14964。

表4-3 第一层冷却管水温统计表(℃)
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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，管冷出口部温度在步骤10时温度已经上升到了30.4℃。

4.3.1.2 第二层冷却管
此层三个代表点的节点号为1/3处16132、2/3处15988、出口处15828。

表4-4 第二层冷却管水温统计表(℃)
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，管冷出口部温度在步骤11时温度已经上升到了31.54℃。

4.3.1.3 第三层冷却管
此层三个代表点的节点号为：1/3处17033、2/3处16853、出口处16692。

表4-5 第三层冷却管水温统计表(℃)
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6 27.19 27.1
7 27.63
7 28.04 27.95 28.63
8 28.41 28.25 29.09
9 28.43 28.26 29.19
10 28.17 28.10 31.07
11 27.71 27.83 28.81
12 27.14 27.51 28.47
13 26.52 27.17 28.10
14 25.87 26.83 27.72
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，管冷出口部温度在步骤10时温度已经上升到了31.07℃。

4.3.2 承台温度情况
通过对各阶段的比对，步骤3时温度最高，步骤3温度情况如下图：
通过对结果分析，下承台在步骤3时内外温差最大，内外温差最大为25.7℃。

4.3.3 承台应力情况
4.3.3.1 外表面应力情况
通过对结果分析，承台在步骤4时sig-XX外表面发生最大拉应力2.42MPa，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2.48MPa，此时应力分布图如下：在步骤12时sig-ZZ外表面发生最大拉应力2.16MPa，此时应力分布图如下：
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4.3.3.2内部应力情况
钝化承台表面及地基部分，只激活承台内部部分。

通过对结果分析，承台在步骤1时内部sig-XX发生最大拉应力0.77MPa，此时应力分布图如下：
在步骤1时内部sig-YY发生最大拉应力0.77 MPa，此时应力分布图如下：
在步骤1时内部sig-ZZ发生最大拉应力0.55 MPa，此时应力分布图如下：
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4.3.4 监控点时程图
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。

成果书分别选取了承台表面点3个点和内部1个节点共4个点查看分析结果。

4.3.4.1 监控点的选取
承台选取8192、8798、18102、12819四点，其中12819位于承台混凝土中心附近，其他点位分别位于正面、侧面和顶面中心位置。

4.3.4.2 监控点时程图
（1）节点8192
应力和容许应力时程图如下：
温度时程图如下：
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（2）节点8798
应力和容许应力时程图如下：
温度时程图如下：
（3）节点18102
应力和容许应力时程图如下：
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温度时程图如下：
（4）节点12819
应力和容许应力时程图如下：
温度时程图如下：
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4.4 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的温控措施。

（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：
①C35混凝土7天绝热温升小于45℃；
②C35混凝土28天轴心抗拉强度大于2.2MPa。

③水泥、粉煤灰、矿粉在搅拌站的入机温度不宜高于60℃；
④混凝土入模温度不宜高于30℃；
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。

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。

（2）保温、养护要求
①混凝土浇注体在入模温度的基础上温升值不宜大于50℃，内、外温差不宜大于25℃；
②混凝土降温速率不宜大于2℃/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混凝土保湿养护的持续时间不得少于14d，并应经常检查塑料薄膜或养护剂涂层的完整情况，保持混凝土表面湿润；
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⑤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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