1、华阳路南延（含华阳桥）道路工程 1 华阳特大桥主桥大体积混凝土的研究一、概述1、设计标准 道路等级：城市主干道； 设计荷载：公路 I 级； 设计车速： 60km/h； 航道等级：V 级； 通航标准：通航净高为 8m，通航净宽为 130m(通航论证送审稿，已开评审会，未正式批复)，最高通航水位采用洪水重现期 10 年一遇洪水位5.65m（85 国家高程，下同）； 地震烈度：根据建筑抗震设计规范 （GB50011-2001）及中国地震动参数区划图 （GB18306-2001） ，华阳特大桥场地的地震基本烈度为 VII 度，设计基本地震加速度值为 0.10g，地震设计特征周期值（50 年超越概率 1
2、0%）为 0.43s。桥梁横断面布置华阳特大桥工程按照双向八车道城市主干道标准修建。主桥横断面具体布置为：桥面宽度: 0.25m 栏杆+2.5m 人行道+0.45m 防撞栏+15.585m 行车道+0.45m 防撞栏+1.03m 中央分隔带+0.45m 防撞栏+15.585m 行车道+0.45m 防撞栏+2.5m 人行道+0.25m 栏杆=39.5m；全宽 39.5m。2、主要采用的设计规范公路路线设计规范 JTG D202006公路路基设计规范 JTG D30-2004公路沥青路面设计规范 JTG D502006公路桥涵设计通用规范 JTGD602004华阳路南延（含华阳桥）道路工程 2 公
3、路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62-2004公路桥涵地基与基础设计规范 JTG D63-2007公路桥梁抗震设计细则 JTG/T B02-01-2008普通混凝土配合比设计规程 JGJ55-20003、工程规模华阳特大桥属于华阳路南延线道路工程项目，跨越潭洲水道。该项目为南北走向，北起佛陈路碧桂花城段，南止于荷岳路。华阳特大桥位于东平新城核心区，连接陈村与乐从两镇，为双向 8 车道。桥位具体位于灯笼沙洲岛下游 344m 处，航迹线偏于南侧，较为顺直；该处潭洲水道分南北两个航道，其中南航道槽较深，为其主要航道。桥轴线法线方向与水流主流向的交角为 6。4、主桥 109+168+
4、109m 连续梁 上部结构采用（109+168+109）m 跨 PC 连续梁，边中跨比值为 0.65。箱梁采用 C60 砼，单箱单室箱形断面，顶板宽 19.3m，底板宽 9.7m，两侧翼缘板悬臂长 4.8m。根部梁高 H 根10.5m，跨中及边跨端部梁高 H 中4.0m，H 根/L1/16，H 中/L1/42。箱梁梁高变化采用 2 次抛物线，变化范围为悬浇段末端至根部外侧处，梁高变化方程为截面梁高方程：H=0.001003048x+4.0(m)，梁高 H 系箱梁横断面外腹板外缘处高度。边跨现浇段支点附近处腹板厚度采用 75cm，跨中采用 50cm，向主墩方向分次渐变为 85cm、100cm，0
5、#块腹板厚度为 120cm。箱梁顶板厚度 0#块为 50cm，其余均为32cm。箱梁底板厚度变化采用 2 次抛物线，由箱梁根部 120cm 渐变到跨中 35cm；底板厚度方程：H=0.000138113x+0.35 (m)；箱梁横坡由腹板高度调整，顶板横向设置 2%的横坡，底板保持水平。 下部结构墩身与路线正交，采用左右分幅薄壁箱形空心墩，C40 砼。墩厚 450cm，宽 1170cm。墩身于横桥向两侧设为椭圆形，以减少水流阻力。左右幅桥承台采用分幅式承台，C40 砼，每一个承台两端带椭圆弧倒角，承台尺寸顺桥向为 15.3m，横桥向为 18.8m，厚 4.5m，并华阳路南延（含华阳桥）道路工程
6、 3 设 0.5m 厚的 C25 承台封底砼。基础采用群桩，每墩半幅由 9D250cm 直径钻孔灌注桩组成。主墩承台标高为 2.0m。过渡墩采用分离薄壁空心墩，分离式承台。半幅承台顺桥向尺寸为 700cm，横桥向尺寸为 1200cm；配 6 根 D180cm 钻孔桩。过渡墩承台顶标高设于地面以下约 50cm，12#过渡墩承台顶标高为 2.5m，15#过渡墩承台顶标高为 2.7m。二、大体积混凝土1、大体积混凝土概念近年来，随着我国各项基础设施建设的加快和城市建设的发展，建筑规模不断扩大，大型现代化技术设施或构筑物不断增多，而混凝土结构以其材料价廉物美、施工方便、承载力大、可装饰强的特点，日益受
7、到人们的欢迎，于是大体积混凝土逐渐成为构成大型设施或构筑物主体的重要组成部分。大体积混凝土广泛应用于水利水电工程、港口建筑物、原子核反应站、高层建筑物基础、桥梁等结构建设中。大体积混凝土目前尚无统一定义，一般理解为尺寸较大的混凝土。日本建筑学会标准(JASS5)的定义为：“结构断面最小尺寸在80cm以上，水化热引起混凝土内的最高温度与外界气温之差预计超过25C的混凝土，称为大体积混凝土。 ”美国混凝土协会(ACI)认为大体积混凝土是“现场浇筑的混凝土，其尺寸大到必须要采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂。 ”同时，美国混凝土协会还认为，结构最小尺寸大于06m时就应考虑
8、水化热引起的混凝土体积变化和开裂问题。从这点上我们可以看出人们越来越重视大体积混凝土裂缝问题。在我国，根据混凝土结构工程施工及验收规范规定，对大体积混凝土的定义为：建筑物的基础最小尺寸在1m3m范围内就属于大体积混凝土。华阳特大桥北起佛陈路碧桂花城段，南止于荷岳路，位于东平新城核心区，连接陈村与乐从两镇，其建设具有非常重要的意义。华阳特大桥主桥采用 168m 大跨预应力混凝土连续箱梁方案，其大体积混凝土部位主要包括：1）主墩承台。其尺寸为顺桥向 15.3m，横桥向 18.8m，厚 4.5m。2）过渡墩承台。其尺寸为顺桥向 7.0m，横桥向 12.0m，厚 3.0m。华阳路南延（含华阳桥）道路工
9、程 4 3）主墩墩身。其尺寸为顺桥向 4.5m，横桥向 11.7m，空心墩，长边壁厚 1.0m，短边壁厚 3.0m。4）主梁 0#块梁段。以上大体积混凝土部件以主墩承台最为典型。2、大体积混凝土结构的特点及问题大体积混凝土结构具有如下主要特点：(1)混凝土是脆性材料，抗拉强度只是抗压强度的1/10左右；拉伸变形能力也很小，短期加载时的极限拉伸变形只有(0.61.0)x10 -4m，相当于温度降低610C的变形；长期加载时的极限拉伸变形也只有(1.22.0)x10 -4m。(2)大体积混凝土结构断面尺寸比较大，混凝土浇筑以后，由于水泥水化热，内部温度急剧上升，此时混凝土弹性模量很小，徐变较大，升
10、温引起的压应力并不大；但在温度逐渐降低时，弹性模量比较大，徐变较小，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。(3)大体积混凝土通常是暴露在外面的，表面与空气或水接触，一年四季中气温和水温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力。(4)大体积混凝土结构通常是不配筋的，或只在表面或孔洞附近配置少量钢筋，与结构的巨大断面相比，配筋率是极低的。在钢筋混凝土结构中，拉应力主要有钢筋承担，混凝土只承受压应力。在大体积混凝土结构内，由于没有设置钢筋，如果出现了拉应力，就要依靠混凝土本身来承受。大体积混凝土结构的截面尺寸较大，由外荷载引起裂缝的可能性很小，但水泥在水化反应中释放的水化热所产生的温度变化和
11、混凝土收缩的共同作用，会产生较大的温度应力和收缩应力，将成为大体积混凝土结构出现裂缝的主要因素。采用大体积混凝土要面对的问题，不是力学上的结构强度，而是控制混凝土温度应力，防止混凝土温度变形裂缝，从而提高混凝土的抗渗、抗裂、抗侵蚀性能，提高建筑结构的耐久年限。众多工程实例证明，产生裂缝的主要原因如下：(1)水泥水化热的影响华阳路南延（含华阳桥）道路工程 5 混凝土浇筑后，由于水化热的作用，内部温度升高。由于混凝土为不良导热体，因此其硬化过程中发生的热量绝大部分不能消散，蕴藏于混凝土内部，从而导致混凝土温度升高，体积膨胀。在施工初期，由于水泥水化热的产生，内部温度比外部温度升高的快，混凝土体积膨
12、胀大，从而在结构表面产生拉应力；在后期的降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束以及混凝土内部温差的约束，在混凝土结构中会产生拉应力；或者突遇寒潮时，混凝土表面温度骤降而产生很大的收缩变形，受到内部的约束而产生很大拉应力。在这些过程中，混凝土由于温度的升降变化而引起的应力称为温度应力。根据产生的原因，温度应力可以分为以下两种：自生应力：边界上没有受到任何约束或者完全静定的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身的相互约束而出现的应力。例如，混凝土冷却时，表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中央出现压应力。自生应力的特点是在整个截面上拉应力与压应力必须相互平衡。约束应力：大体积混凝
13、土与地基浇筑在一起，当温度变化时受到地基的限制，因而产生外部的约束应力。混凝土在早期温度上升时，产生的膨胀变形受到约束面的约束而产生压应力，此时混凝土的弹性模量很小，而徐变和应力松弛较大，与基层连接不太牢固，因而压应力较小。但当温度下降时，则产生较大的拉应力，若超过混凝土的抗拉强度，则会出现垂直裂缝。(2)外界气温变化的影响大体积混凝土结构在施工期间，混凝土浇筑温度与外界气温有着直接关系，浇筑温度又影响着混凝土的内部温度。大体积混凝土结构不易散热，其内部温度有的工程高达90以上，而且持续时间较长。温度应力是由温差引起的变形所造成的，如外界气温下降，特别是气温骤降，会加大混凝土的温度梯度，温差愈
14、大，温度应力也愈大，易使大体积混凝土出现裂缝。（3）混凝土收缩变形的影响混凝土收缩变形分为塑性收缩变形和干燥收缩变形两种。在混凝土硬化之前，处于塑性状态。如果上部混凝土的均匀沉降受到限制，如遇到钢筋或大的骨料，或者平面面华阳路南延（含华阳桥）道路工程 6 积较大的混凝土，其水平方向的减缩比垂直方向更难时，就容易形成一些不规律的塑性收缩性裂缝。掺人混凝土中的拌合水，约有20的水分是水泥水化反应所必需的，其余80都要被蒸发，失去的自由水不引起混凝土的收缩变形，而吸附水的逸出就会引起混凝土的干燥收缩。除干燥收缩外，还会产生碳化收缩。3 可选择的温度场和温度应力场研究方法（1）大体积混凝土温度场研究方
15、法为了掌握混凝土温度应力的发展和分布规律，首先要分析混凝土结构的温度场，其研究方法一般分为解析方法和近似方法。解析方法的理论根据是固体热传导理论，对于具体的工程问题，可根据实际情况研究其边界条件和初始条件，然后求得函数形式的解答。但是实际结构中遇到的问题大多数边界条件比较复杂，难以求出理论解答。解析法一般可用于验证数值方法的可靠性。近似方法包括数值解法、图解法等。近似方法一般多指数值解法。数值解法根据其计算原理的不同又可分为差分法、边界元法和有限元法。差分法：在有限单元法出现以前，温度场的数值计算多采用差分法。差分法过程简单，计算量小，适用于一些边界规则简单的低维问题，而对边界复杂、材料多样的
16、多维问题则比较困难。边界元法：边界元法具有以下优点：沿计算域边界离散，使问题的维数降低，计算精度提高，数据准备少，但是要用边界元模拟混凝土结构的施工过程及多种材料比较困难。有限元法：有限元法是随着计算机的出现而迅速发展起来的数值方法，它把求解一定边值条件下的温度场转化为求解一个泛函的极值问题，先把计算域离散为有限个单元，在单元内采用一定插值函数，则单元内温度可近似由单元的节点温度插值得到，然后建立单元结点温度的线性方程组，再解方程组求出结点的温度值。有限单元法易于适应不规则边界和多种介质混合域问题，且易于在局部调整单元尺度以提高计算精度；另外，用有限元法计算温度场可以与温度应力场的计算嵌套进行
17、。（2）大体积混凝土温度应力场的研究方法华阳路南延（含华阳桥）道路工程 7 混凝土结构的温度应力分析方法可分为以下三种：理论解法由于大体积混凝土边界和材料的复杂性，要求解满足所有条件下的温度应力解答几乎是不可能的，所以现在一般不用理论解法来求解实际工程问题。实用算法在实际工程中为了简单迅速地估算出温度应力，常采用一些实用算法，包括约束系数法、约束矩阵法、广义约束矩阵法。数值方法数值方法有边界单元法和有限单元法两种方法。边界单元法节省计算时间，但要考虑施工过程中的徐变应力场及结构内介质非均匀性，则会遇到很大困难，而且目前该计算方法在混凝土结构应力场中的运用提及甚少。有限单元法是目前较为成熟的计算
18、混凝土结构温度场和应力场的数值方法。混凝土结构温度场，温度应力场分析和温控设计方法，有以美国为代表的有限元时间过程分析方法和以日本为代表的约束系数矩阵法，英国和法国一般采用ANSYS、ADINA和ABACUS等专用程序。4 工程中为防止大体积混凝土产生裂缝可采取的措施（1）水泥品种选择和用量控制水泥释放温度的大小及速度取决于水泥内矿物成分的不同。水泥矿物中发热速率最快和发热量最大的是铝酸三钙，其他成分依次为硅酸三钙、硅酸二钙和铁铝酸四钙。另外，水泥越细发热速率越快，但是不影响最终发热量。因此在大体积混凝土施工中应尽量使用矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥。应该充分利用混凝土的后期强度，以减少水泥的用量
19、。因为大体积混凝土施工期限长，不可能28d向混凝土施加设计荷载，因此将试验混凝土标准强度的龄期向后推迟至56d或者90d是合理的。这样充分利用后期强度则可以每1m混凝土减少水泥4070kg左右，混凝土内部的温度相应降低47。（2）掺加减水剂和外掺料在大体积混凝土的施中，掺入一定比例的煤粉灰、高效减水剂和UEA混凝土微膨胀剂，华阳路南延（含华阳桥）道路工程 8 可改善混凝土的和易性，增加在输送管内的流动性，增长泵送距离；降低水化热，可有效地防止裂缝的产生。（3）骨料的选择在选择粗骨料时，尽量选用粒径较大、质量优良、级配良好的石子。这样既可以减少用水量，也可以相应减少水泥用量，还可以减小混凝土的收
20、缩和泌水现象。在选择细骨料时其细度模数宜在2629范围内。工程实践证明，采用平均粒径较大的中粗砂，比采用细砂，每m3混凝土中可减少用水量2025kg，水泥相应减少2835kg，从而降低混凝土的干缩，减少水化热量，对控制混凝土的裂缝有重要作用。在厚大无筋或少筋的大体积混凝土中，掺加总量不超过20的大石块，减少混凝土的用量，以达到节省水泥和降低水化热的目的。其施工按毛石混凝土的规定施工。(4)配合比设计严格按照普通混凝土配合比设计规程JGJ55-2000进行混凝土配合比设计。a. 混凝土配制强度应按下式计算： 645.1,0,kcuf式中， 混凝土配制强度（MPa）；,cuf混凝土立方体抗压强度标
21、准值（MPa）；k,混凝土强度标准差（MPa）。b.计算水灰比。本项目环境类别为I类，环境作用等级为B级。根据规范要求，其钢筋混凝土构件和预应力混凝土构件配制的最大水灰比不应超过为0.6，最小水泥用量：钢筋混凝土构件应不低于280kg/m3, 预应力混凝土构件应不低于300kg/m3。c.根据选定的水灰比和坍落度，选取合适的砂率。按计算的配合比进行试配时，应先进行试拌，以检查拌合物的性能。混凝土强度试验时至少应采用三个不同的配合比，一个为计算得到的基准配合比，另外两个配合比的水灰比，宜较基准配合比分别增加和减少0.05，用水量与基准配合比相同，砂率可分别增加和减少1%。华阳路南延（含华阳桥）道
22、路工程 9 经试配确定配合比后，尚应参考混凝土的表观密度计算值进行微调，确定最终的设计配合比。对于高强混凝土的配制，在水泥品种、粗骨料粒径、细骨料模数、减水剂和矿物掺合料等方面要符合规范要求。对于大体积混凝土的配制，在原材料选择、骨料级配、掺合料和骨料含量等方面亦须符合规范要求。（5）控制混凝土入模温度为了降低大体积混凝土的总温升，减少结构物的内外温差，应控制混凝土的入模温度。关于混凝土人模温度的控制，各国都有明确的规定。我国提出应不超过25C，美国ACI施工手册规定不超过32C，日本建筑学会钢筋混凝土施工规定中规定不超过35C。（6）延缓混凝土降温速率大体积混凝土浇筑后，应加强其表面保温、保
23、湿养护，其作用有3个：第一，减小混凝土的内外温差，防止出现表面裂缝；第二，防止混凝土表面过冷，避免产生贯穿裂缝；第三，延缓混凝土的冷却速度，以减小新老混凝土的上下层约束。保湿养护能减小混凝土的干缩，能使混凝土的水泥水化作用顺利进行，有利于提高混凝土的极限抗拉强度，对控制裂缝有积极作用。保温材料应选择价格低廉、导热系数小、易于操作的材料，常用的有木模、草袋、木屑、干砂等。混凝土终凝后。采取蓄水养护是一种极好的方法，不仅具有保温隔热效果，而且还可以延缓混凝土降温速率，减小混凝土中心和表面的温度差值。（7）改善边界约束和构造设计分段浇筑、设置滑动层、合理配置钢筋、设置应力缓和沟、设置缓冲层、避免应力
24、集中等措施均可防止大体积混凝土产生温度裂缝。（8）提高混凝土的极限拉伸值对浇筑后的混凝土进行振捣能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出现的裂缝，减少混凝土内部微裂，增加混凝土的密实度，使混凝土的抗压强度提高10 20，从而提高其抗裂性。华阳路南延（含华阳桥）道路工程 10 采用二次振捣可提高混凝土的极限拉伸值，进行时要掌握好两次振捣的时间间歇，它与水泥品种、水灰比、坍落度、气温和振捣条件等有关。二次振捣的最佳时间，一般在第一次振捣完成后两小时进行为宜。（9）加强施工监测工作在施工前期应进行混凝土温控计算，并结合实际监测的温度场分
25、布及采取的温控措施，适时调整分层厚度和保温措施，从而优化施工方案。（10）加强施工管理提高施工质量混凝土强度不均匀，裂缝总是从最弱处开始出现。当混凝土质量控制不严，混凝土强度离散系数大时，出现裂缝的机率就大。加强施工管理，提高施工质量，必须从混凝土的原材料质量控制做起，科学进行配合比设计，施工中严格按照施工规范操作，特别要加强混凝土的振捣和养护，确保混凝土的质量，以减少混凝土裂缝的发生。三、研究思路及目标1、对以往类似工程大体积混凝土的设计、配合比、施工方案、组织、措施、检测、监测等方面进行调研，在调研和分析总结的基础上，通过试验提出和选定合适的混凝土配合比。混凝土配合比设计的原则是，在保证混
26、凝土具有良好工作性能的情况下，应尽可能降低混凝土的单位用水量，采用“三低(低砂率、低坍落度、低水胶比)二掺(掺高效减水剂和高性能引气剂)一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则，生产出“高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值”的抗裂混凝土。2、建立适合本项目主桥的大体积混凝土温度场数学模型，结合具体问题的边界条件和初始条件，用差分方法进行数值求解，从而掌握大体积混凝土温度场的变化规律，以便指导实际测试过程，保证准确度。3、采用有限元方法建立适合本项目主桥的大体积混凝土温度场数学模型，对混凝土凝固过程的温度场和应力场进行了数值仿真和分析，寻找大体积混凝土温度场分布存在的规律，以便指导实际测试过程，保证准确度
27、。4、综合差分方法、有限元方法的计算结果，合理布置测控仪器，对大体积混凝土的温度场进行测试，给出实测的大体积混凝土温度场的分布，验证相关计算理论的准确性，华阳路南延（含华阳桥）道路工程 11 同时指导以后类似工程建设。5、具体实施时分两步计算本工程温度应力：第一步是根据有关资料预估各龄期的温度应力、收缩应力和抗拉强度，估算应力是否小于混凝土抗拉强度；第二步是施工时，实时测量构件体内各点温度，并根据实测温度进行应力复算，如发现根计算应力超过测时混凝土的实际抗拉强度，则应迅速采取措施，使砼不致开裂，保证砼质量和施工顺利进行。6、大体积混凝土仿真应力计算中，混凝土的弹性模量值是个十分重要的基本量。混凝土弹性模量是随龄期增长而增长的，逐渐达到最终的一个终值。弹模测量一般是在常温(一般是 20的范围)下进行的，既往研究中一般没有考虑在施工浇筑砼过程中温度对混凝土弹模的影响。本次研究拟尝试考虑温度作用对于混凝土弹性模量的影响效应。广东省公路勘察规划设计院有限公司广州市市政工程设计研究院2010-7-13
