南京大胜关长江大桥承台大体积混凝土施工温度场的影响因素分析.pdf

3 8 桥梁检测与加固 2 o 1 2年第 1 期 南京大胜关长江大桥 承 台大体积 混凝 土施工温度场的影 响因素分 析 李 鸥 ， 黄元 ( 1 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ； 2 长江勘测规划设计研究有限责任公司枢纽处， 湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ： 南京大胜关长江大桥 主桥承 台基础 规模较大 ， 属于厚大体积混凝土结构， 具有承台数量多、 工期密集、 年气 温变化大等施工特点， 温度控制技术难度大。结合该桥梁工 程 】 1 个大中型承台基础大体积混凝土施工温度控制实例， 对温度场的主要影响因素进行分析， 总结其温度场的变化规 律。结果表明， 在相似的施工条件下， 混凝土的浇筑温度和 承 台厚度对温度场影响较大 。 关键词 ： 桥 梁； 承台 ； 大体积混凝土 ； 温 度控制 1 概述 南京大胜关长江大桥l 】 是京沪高速铁路上 的 控制性工程 ， 为六跨连续钢桁梁拱桥 ， 主跨 2 3 3 6 m， 设计时速达 3 0 0 k m， 是 目前世界上设计荷载最 大的高速铁路 桥。该 桥主桥 的 0 5号墩 承台及 9号 、 1 0号 墩 承 台 的混 凝 土 方 量 为 3 5 6 2 5 5 0 2 2 5 m。 ， 而拱脚 6 8号 主墩 3个承台最大 ， 尺 寸为 7 6 0 m( 长) 3 4 0 m( 宽) ， 混凝 土方量高达 1 4 01 5 5 m。 。 该桥承台基础的工程规模在国内外桥梁工程中 很少见 ， 属于厚 大体积混凝 土结构 。该桥基础施工 还具有承台数量多 、 工期密集 、 年气温变化大等特 点 ， 温度控制技 术难度较大。桥梁工程对大体积基 础混凝土施工要求 比较严格 ， 基础部位一旦出现超 出允许范围的危害性裂缝， 会降低结构整体的承载 力和耐久性。为了避免施工过程中承台大体积混凝 土因温差过大而产生裂缝 ， 确保承 台的施工质量 ， 进 行有效的温度控制尤为重要 。 本文根据 1 1 个承台的构造形式、 混凝土浇筑方 量和施工时天气情况等特点 ， 对大体积混凝土温度 场进行监测 ， 对施工过程 中承 台大体积混凝土的温 度控制措施和温度场变化规律进行总结 ， 分析混凝 土浇筑温度、 浇筑厚度 和平面构造 尺寸等 因素对温 度峰值的影响程度 。 2 温度控 制的标准和措施 2 1 温度控制标准 该桥属于铁路桥梁 ， 按照 铁路混凝土与砌体工 程施工质量验收标准 ( TB 1 0 4 2 4 2 0 0 3 ) _ 3 J ， 本次 大体积混凝土的内外温差采用 2 5的控制标准。 为了把大体积混凝土的内部降温速率严格控制 在合理范围内， 使其既能避免混凝 土因为降温过快 而产生过大的拉应力 ， 又能将 内部 的温度安全下降 到稳定温度 ， 尽快降低内外温差 ， 需要根据项 目的具 体情况 ， 采用合理的降温速率。参照以往工程 中的 成功经验 ， 并 通过水化热初步分 析后， 采用不 超过 2 0 3 0 d的降温速率控制。实际温度监测结 果说明， 这样可以在工程质量和施工进度 2个方面 起到很好的效果。 2 2 温度控制措施 在本次温控工作中， 根据每个承台的构造特点、 浇筑厚度 、 边界条件和气温水温等具体情况 ， 通过前 期温度场有限元模拟计算 ， 现场采用“ 内散外 蓄” 的 双向控制措施减小温差 ， 从而使各个承台的内外温 差和降温速率等各项指标均控制在允许 限值以内 ， 有效地 防止 了温度 裂缝 产生 ， 取得 了 良好 的控 制 效果 。 本次温度控制主要采取的技术措施 ： 采用低 热混凝土 ； 施工前对温度场进行预测计算； 建 立承台内部冷却水循 环系统 ； 建立温度监 测体 系； 控制混凝土的浇筑温度 ； 建议优化施工方 案， 确保浇筑质量 ； 承台内部 降温控制 ； 养护 收稿 日期 ：2 0 1 2 O 2 0 1 作者简介 ： 李鸥 ( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 工程 师 ， 2 0 0 3年毕业于武汉水利电力 大学水利水电专业 ， 工学学 士， 2 0 0 6年毕业于武汉理工大学桥梁 与隧道 工程 号业 ， 工学硕士。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 8 期 南京大胜关长江大桥承台大体积混凝土施工温度场的影响因素分析 3 9 过程中承台表面蓄热保温。 3 温度场结果及分析 本次温度控制共完成南京大胜关长江大桥主桥 1 1 个承台的研究工作。主桥 1 1 个承台采用了相 同 配合 比的低热混凝土。其中， 6 8号 3个主墩承 台 的构造为圆端形， 厚 6 m， 其他承 台均为长方形 ， 厚 5 m。在 2 0 0 6 年 1 2月 2 0 0 8年 5月温控期 间， 实测 最低气温为 一5 4， 最高气温为 3 9 2； 实测最 低江水温度为 7 4 ， 最高江水温度为 2 8 5。其 中 1 号 、 4号和 1 O号墩 的 3个承台属 于冬季施工 。 4 9号墩 6 个 承台在高度方 向上采用了分 层浇筑 的施工方法 ， 其他 5个承台为一次连续浇筑完成 ， 单 次浇筑厚度有 2 5 m、 3 0 m 和 5 0 1 1 3 三种 。承台 的实测最低温度峰值为 4 O 2， 最高温度 峰值 为 6 9 1。承台温度场主要测试结果统计见表 1 。 表 l 南京大胜关长江大桥 承台温度场主要测试 结果 承台 分层情况 浇筑厚度 m浇筑温度 温度峰值 3 1 浇筑温度对温度峰值的影响 在绝热条件下 ， 混凝土 内部 的最高温度是浇筑 温度与水 泥水 化热温度 的总和 。在实际工程环境 中， 由于混凝土与外界环境之间总存在热能交换 ， 混 凝土内部 的最高温度实际上是浇筑温度、 水泥水化 热引起的绝热温升和混凝土浇筑后的散热温度 3 部 分组成 。其中， 水泥水化热绝热引起 的绝热温升是 混凝土 内热能的主要来源。混凝土的最高温度等于 浇筑温度加上水化热温升 。混凝土的浇筑温度是影 响温度峰值的重要因素之一。 南京大胜关长江大桥 1 1个温控承台的混凝 土 浇筑温度 为 1 O 1 2 8 5。3种不 同浇 筑厚度 ( 2 5 r n 、 3 0 1 I 1 和 5 0 m) 承 台的浇筑温度、 温度峰 值和最大温升值的监测结果见表 2 4 。 表2 浇筑厚度为 2 5 1 11 的承台实测温度峰值统计 表 3 浇筑厚度为 3 0 1111 的承 台实测温度峰值统计 表 4 浇筑厚度为 5 0 I 11 的承台实测温度峰值 统计 将 以上数据分别绘制成 图， 其 中， 对于浇筑厚度 为 2 5 IT I 的 4号、 5号和 9号墩承台 ， 浇筑温度与温 度峰值 间的关系见图 1 ； 对于浇筑厚度为 3 0 1T I 的 6 8号墩承 台， 浇筑温度与温度峰值间的关 系见 图 2 ； 对于浇筑厚度为 5 0 1 T I 的 O 3号墩承台、 1 O号 墩承台， 浇筑温度与温度峰值间的关系见图 3 。 从 图 1 3的线性拟合 曲线来看 ， 对于浇筑厚度 相同的大体积混凝土 ， 浇筑温度 与温度峰值 之间基 本上呈线性递增关系( 拟合 曲线 z值 的定义域 只限 于该统计范围内的实测浇筑温度变化值 ， 图中拟合 曲线的“ R” 为相关系数) 。从 线性拟合 曲线 的相关 乱& L 互 吼 L & K K K 互 色互 置 互 层层层层层 层 层 层 层 层 层 层 层 层 层 层层 分 分分分1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2分 未 未未未第 第第 第第 第第 第第 第第 第未 号号号号 号 号 号 号 号 号 号 O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 桥梁检测与加固 2 0 1 2年第 l 期 髫 赠 蚓 髫 赠 磐 赠 图 I 承 台浇筑厚度为 2 5 m 时浇筑温度 与温度峰值的变化关 系 图 2 承 台浇筑厚度为 3 0 m 时浇筑温度 与温度峰值 的变化关 系 图 3 承台浇筑厚 度为 5 0 i n时浇筑温度 与温 度峰值 的变化 关系 系数来看 ： 当浇筑厚度 为 2 5 m 时 ， 浇筑 温度 与温 度峰值关 系线性 拟合 曲线 的相关 系 数为 0 7 0 ( 图 1 ) ； 当浇筑厚度分别为 3 0 m 和 5 0 m 时， 浇筑温 度与温度峰值关系曲线 的线性 拟合效果较好， 其相 关系数分别达到 0 9 4 ( 图 2 ) 和 0 9 7 ( 图 3 ) 。 从表 2 4实测数据可以看出， 在浇筑厚度相同 的情况下 ， 混凝土的浇筑温度越高 ， 承台内部的温度 峰值也越高 ； 对 于浇筑 厚度为 2 5 m 的承 台， 当浇 筑温度从 I 1 5增加到 2 6 2时( 增加 1 4 7 o C) ， 温度峰值增加了 1 6 5； 对于浇筑厚度为 3 0 m的 承 台， 当浇筑温度从 1 0 5增加到 2 8 5时( 增加 1 8 0) ， 温度峰值增加 了 2 O 8 ； 对于浇筑厚度 为 5 0 m 的承台， 当浇筑温度从 1 O 1增加到2 8 5 时( 增加 1 8 4) ， 温度峰值增加了 2 1 1。从 本次监测数据来看 ， 温度峰值增量与浇筑温度增量 的比值总体约为 1 1 4 。 从上述分析可知， 降低混凝土的浇筑温度能相 应地降低至少 同等幅度的温度峰值 ， 从而减小 内外 温差。因此 ， 大体积混凝土在炎热夏季施工时， 应控 制浇筑温度 ， 过高的浇筑温度会导致大体积混凝土 水化热反应速度加快， 热量积聚在内部 ， 难 以及时向 外界散发， 最终导致温度峰值升高 ， 形成较大内外温 差 ， 不利于降低温度应力 。 3 2 浇筑厚度对温度峰值的影响 大体积混凝土的浇筑一般为 I 5 3 0 m， 厚度 较大的混凝土结构一般采用分层浇筑 ， 浇筑完第 l 层之后 ， 间歇 5 1 5 d ， 再浇筑第 2层。南京大胜关 长江大桥承台的浇筑厚度为 2 5 5 0 m。 从表 2 4的统计数据可以看出， 温度峰值随着 浇筑厚度的增加而增大 ： 对于浇筑厚度为 2 5 m 的 承台， 平均浇筑温度为 2 0 0时， 平均温度峰值 为 5 1 0； 对于浇筑厚度为 3 0 m 的承台 ， 平均浇筑 温度为 2 5 8时， 平均温度峰值为 6 0 5 ； 对于浇 筑厚度为 5 0 m 的承 台， 平均浇筑温度为 2 3 4 时， 平均温度峰值为 6 2 5。 为了更好地分析不同浇筑厚度对温度峰值 的影 响程度 ， 根据图 1 3拟合得到的线性 回归公式 ， 消 除不同浇筑温度对温度峰值的影响， 令 z一2 0 0 ， 可推算得出同一浇筑温度 、 不同浇筑厚度下的温 度峰值 ： 当浇筑厚度为 2 5 m时 ， 一0 7 9 x+3 5 3 0 5 1 1 ( 1 1 5z 2 6 2) ； 当浇筑厚度为 3 0 m 时 ， v = = = 1 0 4 x +3 3 8 8 = = = 5 4 7 ( i 0 5 z 2 8 5) ； 当浇筑厚度为 5 0 m 时， 一1 2 2 x + 3 4 7 6 5 9 2 ( 1 0 1z 2 8 5。 C) 。 根据 以上拟合公式推算结果 ， 当浇筑温度均为 2 0 0时 ， 浇筑厚度为 2 5 m、 3 0 m和 5 0 r n的承 台， 其温度峰值分别为 5 1 1、 5 4 7和 5 9 2。 因此 ， 浇筑温度相同的条件下 ， 大体积混凝土的温度 峰值随浇筑厚度的增加而增大。浇筑厚度从 2 5 I T I 变化到 5 0 m时， 温度峰值增加 了8 1 ， 增量约为 1 6 。 从图 I 3的线性拟合 曲线的斜率来看 ， 浇筑厚 度分别为 2 5 m、 3 0 m和 5 0 m时 ， 线性拟合曲线 的斜率分别为 0 7 9 、 l _ O 4和 1 2 2 。因此 ， 随着浇筑 厚度的增加， 大体积混凝土内部温度峰值增长速度 会大大增加。浇筑厚度从 2 5 I T I 增加到 5 0 i n时 ， 曲线的斜率增大了 5 4 3 4 9 6 。 在本次温控测试结果 中， 不 同浇筑厚度下混凝 土最终绝热温升关系值 统计见表 5 ， 其 中 为实际 踟 如 加 0 踟 m 0 们 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 8 期 南京大胜关长江大桥承台大体积混凝土施工温度场的影响因素分析4 1 温升与理论最终绝热温升的比值。根据南京大胜关 长江大桥主桥承台混凝土配合 比， 以及文献E 4 提供 的公式 ， 可计算出该配合 比混凝土的理论最终绝热 温升值为 4 2 3。 表 5 不同浇筑厚度的混凝土最终绝热温升关系值 考 注 ： e 一实际温升值 理论最终绝热温升值。 文献 5 大体积混凝土施工 中提供的关系值 见表 6 。 表 6 文献 5 提供的不同浇筑厚度的 混凝土最终绝热温升关系值 考 浇筑厚度 m e 文献E s 认为： 在散热条件大致相似的情况下， 浇筑厚度不 同， 散热温度也不 同， 并大致符合 “ 越薄 散热越快、 越厚散热越慢” 的规律 ； 而当浇筑块厚度 在 5 0 m 以上时 ， 混凝土的实际温升 已经接近于绝 热温升 5 。从本次温控测试的结果来看 ， 也符合这 一 规律。对于相 同的配合 比， 当承 台的浇筑厚度达 到 5 0 m 时， 承台的实际温升与混凝土绝热温升 已 经非常接近， 它们 的关系值 为 0 9 3 。 通过线性插值 ， 可以估算出文献I- 5 - 1 中浇筑厚度 为 2 5 m 时的 值约为 0 6 3 。对 于 2 5 m、 3 0 m 和 5 0 m三种浇筑厚度， 本次温控实测的 值均 明 显大于文献r - s 提供的 值 。由于文献E 5 3 中的 值 来 自水利工程的统计结果 ， 与大坝混凝土相 比， 桥梁 基础结构混凝土的强度等级高 、 水泥用量大、 放热速 度快 ， 绝热温升值也更高。因此 ， 实际最终温升与计 算最终绝热温升的比值也更为接近。 从表 5可以看出， 本次温控测试得到的 2 5 m、 3 0 m 和 5 0 m三种浇筑厚度分别对应 的 值 ， 并 没有随浇筑厚度呈线性递增 的关 系。3 0 m与 2 5 m 的浇筑厚度各 自对应的 值的增量为 0 9 ， 5 0 m 与 3 0 m 的浇 筑厚 度各 自对 应 的 值 的增 量为 1 1 。主要原因是浇筑厚度为 3 0 m 的 6 8 号墩承 台的平面尺寸为 7 6 0 m( 长) X 3 4 0 m( 宽) ， 远大于 浇筑厚度为 2 5 m 和 5 0 m 的承台平 面尺寸 3 7 5 4 7 0 m( 长) 1 9 0 2 4 5 m( 宽) 。而大体积混 凝土的实际温度场并 不是完全按 照最小尺寸方 向 ( 厚度方 向) 一维传导 ， 平面尺寸对温度场和热传导 也有较大影响。与按照平面计算方法相 比， 建立三 维有限元模型计算温度场 ， 模拟大体积混凝土各个 表面边界热传递方式， 可以得出更加符合温度场真 实的分布和变化情况 。 另一方面， 虽然 6号墩承 台每层浇筑混凝土方 量( 7 0 0 7 5 m。 ) 要远多于 2 号墩承台( 3 8 9 5 0 m。 ) ， 结构平面尺寸也几乎是 2号墩承 台的 2倍 ， 而 6号 墩承台和 2号墩承台的浇筑时间和浇筑温度都基本 一 致 ， 但由于 2号墩承台的浇筑厚度( 5 o m) 大于 6 号墩承台的浇筑厚度 ( 3 0 m) ， 实测 2号墩承 台内 部温度峰值为 7 2 1 ， 高于 6 号墩承台的 6 3 5。 由此可见， 浇筑厚度对温度峰值的影响要远大于承 台平面结构尺寸对温度峰值的影响。承台大体积混 凝土构造上的最小尺寸为厚度方向， 厚度越薄 ， 温度 梯度越大， 热量沿该路径 向外界传递散发的速度就 越快 。 因此 ， 浇筑厚度是影响大体积混凝土 内部温度 峰值的重要因素之一。减小浇筑厚度可以有效地降 低混凝土内部温度峰值 ， 从而有利于减小承台的内 外温差 ， 降低开裂风险。 3 3 浇筑厚度对温度时程 曲线的影响 混凝 土的热传导性能较差 ， 不 同浇筑厚度对大 体积混凝土内部的热量传递、 温度场变化趋势有着 较大影响。南京大胜关长江大桥主桥典型的承台内 部实测温度时程曲线见 图 4 。其 中， 4号墩承台( 浇 筑厚度 2 5 m) 和 1 0号墩承台( 浇筑厚度 5 0 m) 混 凝土浇筑时 间为 1 2月份 。0号墩 承 台( 浇筑厚 度 2 5 m) 和 5号墩承台( 浇筑厚度 5 0 m) 混凝土浇筑 时间为 5 月份。 时 间 h 图 4 不 同浇筑厚度 的承 台中心温度时程 曲线对 比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 桥梁检测与加固 2 0 1 2 年第 1 期 从图 4 可 以看 出， 在相近的施工和养护条件下 ， 浇筑厚度越大， 大体积混凝土的温度峰值越高， 达到 温度峰值所需的时间越长 ， 内外温差下 降到安全范 围所需的时间也越长。 对于同等厚度的承台， 分层浇筑可以降低温度 峰值， 减小内外温差， 降低养护期间表面保温、 内部 降热等温控措施的压力 ， 能在相对较短 的时间把 内 外温差下降到安全范 围， 从而有效地 降低混凝土开 裂的风险， 缩短每层混凝土的保温养护周期 6 。 对于一次浇筑 的承台 ， 温度峰值较高， 到达温度 峰值和下降到稳定温度所需时间较长 ， 温差相对较 大， 温度控制的技术难度较大， 承台表面需采取更为 严格有效的保温措施 ， 且 内部降温和养护时间较长 ， 养护成本高。在施工前 ， 需要对大厚度承台的温度 场及温控工作难点、 重点有准确的把握 ， 制订科学合 理的温控方案 ， 并在施工和养护过程中严格实施 ， 根 据现场实际情况作实时控制调整 。从本次温控效果 来看 ， 通过对温度场和应力场的准确预测分析 ， 综合 考虑各种影响因素， 采取切实有效 、 安全可靠 的温控 措施 ， 制订周密 的施工养 护和降温方案 ， 对厚度为 5 0 m的大体积混凝土 ， 可 以将内外温差控制在允 许范围以内， 达到预期的温控效果。 4 结论 ( 1 )大体积混凝土温度控制是系统工程 ， 需要 根据结构构造 、 混凝土材料 、 施工方法 、 气候环境 和 边界条件等具体工程特点 ， 采用针对性强、 科学合理 的控制措施 ， 才能有效降低内外温差 ， 防止温度裂缝 的产生 。 ( 2 )对于本次监测 的大体积混凝土， 它们 的温 度峰值随着浇筑温度基本上呈线性递增关系。从监 测数据来看 ， 对于施工条件和构造类似的大体积混 凝土 ， 温度峰值 的增量 为浇筑 温度增 量 的 1 1 4 。 降低混凝土的浇筑温度 ， 可以相应地降低 同等 幅度 的温度峰值 。大体积 昆 凝土在夏季施工时 ， 应尽量 降低浇筑温度 ， 过高 的浇筑温度会导致大体积混凝 土水化热反应速度加快， 温升较快， 容易产生较大的 内外温差。 ( 3 )根据本次温控监测结果 ， 施工条件和构造 类似的承台大体积混凝土， 浇筑厚度从 2 5 IT I 增加 到 5 0 m 时， 温度 峰值 增加 了 8 1 ， 增 量约 为 1 6 。大体积混凝土的平面尺寸对温度峰值存在一 定程度 的影响。但浇筑厚 度对温度峰值 的影 响程 度 ， 要远大于承台平面结构尺寸 。 ( 4 )从本次温度监测结果来看 ， 与水工大体积 混凝土相 比， 桥梁承 台基础大体积混凝土的实 际温 升值与理论最终绝热温升值更为接近 。当承台的浇 筑厚度达到 5 m 时 ， 实际温升与混凝土理论绝热温 升的比值 为 0 9 3 。 ( 5 )浇筑厚度对大体积混凝土的温度时程曲线 有较大影响。浇筑厚度越大， 达到温度峰值所需 的 时间越长， 内部下降到稳定温度所需的时间也越长 。 对于同等厚度的承台， 采取分层浇筑 ， 可以降低温度 峰值 ， 在相对较短的时间把 内外温差下降到安全 范 围， 从而有效降低混凝土开裂的风险， 缩短养护周期。 参考文献 ： 1 易伦雄南京大胜关长江大桥大跨度钢桁拱桥设计研 究 J 桥梁建设 ， 2 0 0 9 ， ( 5 ) ： l 一5 2 黄龙华， 段志勇南京大胜关长江大桥钢桁拱架设墩 旁托架结构设计与施工 J 世界桥梁， 2 0 0 9 ， ( 1 ) ： 1 9 2 2 E 3 T B 1 0 4 2 4 -2 0 0 3 ， 铁路混凝土与砌体工程施工质量验 收标准 s E 4 3 朱伯芳大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北 京 ： 中国电力出版社 ， 1 9 9 9 E 5 叶琳昌， 沈义大体积混凝土施工 M 北京 ： 中国 建 筑工业 出版社 ， 1 9 8 6 6 李鸥， 黄元桥梁工程 中承台大体积混凝土冬季 施工的温度控制 J 中国水运， 2 0 0 9 ， ( 2 ) ： 1 9 4 1 9 5 ， 2 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m