基于MIDAS的大體積混凝土水管冷卻仿真分析

程國祥

摘 要：隨著近年來大型工程的增多，大體積混凝土水化熱的溫度控制問題變得越來越重要。在橋梁的設計、施工中對大體積混凝土水化熱溫度場進行研究，對其進行有限元模擬和溫度控制是很必要的。文章以石武客運專線跨南水北調總干渠特大橋為例，討論了冷卻水管對大體積混凝土澆注后的降溫作用和冷卻水管的合理布置。

關鍵詞：大體積混凝土；溫度場；冷卻水管；數值模擬

1 大體積混凝土溫度監控的目的和意義

由于橋梁、大壩等大體積混凝土結構處在不同的環境中，水化熱不容易及時散發，內部溫度將會很高，可能會引起溫度分布與規范規定有較大的差異，產生較大的溫度應力，導致溫度裂縫。因此有必要對橋梁、大壩混凝土結構應用有限元計算分析方法確定其溫度場的分布和應力的大小，從而為研究、預測、分析溫度場以及溫度裂縫控制設計、制定合理的抗裂措施提供了依據。

人們最早關注大體積混凝土是在大壩的施工中出現因為溫度產生裂縫問題，隨著橋梁建設規模的加大，越來越多的橋梁承臺和橋墩采用大體積混凝土一次性澆注，所以橋梁施工中也出現了由于溫度而產生裂縫的問題。比較常見的就是在橋梁的承臺和橋墩的施工過程中，由于水化熱導致混凝土內部溫度過高、內外溫度差異過大，而導致溫度裂縫的出現。目前，許多橋梁的橋墩采用箱型截面的結構形式，箱型截面橋墩的底層的尺寸較大，屬于大體積混凝土，且采用較高標號的混凝土澆注，因而產生水化熱較多，容易出現溫度裂縫的問題。

有關大體積混凝土溫度效應受到了越來越多的關注，但問題并沒有得到很好的解決，其原因是影響混凝土溫度的因素較多，仿真計算的變遷跟不上建設計劃，材料參數選擇復雜，仿真分析的程序和步驟繁瑣，從而仿真結果與實際工程有較大的差距。

2 冷卻水管降低大體積混凝土最高溫升的可行性

采取人工冷卻措施是降低大體積混凝土最高溫升的有效手段，比較常用，其中效果較好的冷卻方法是冷卻水管法。影響冷卻水管冷卻效果的因素很多，對其進行計算分析較復雜，主要表現在：

（1）冷卻水管內的水溫沿水流動的方向是逐步升高的。

（2）施工中混凝土采用分層澆注，各層之間的混凝土的水化熱相互影響。

（3）冷卻水管在降溫的同時，大體積混凝土的表面也在散熱，溫度場是實時變化的。

（4）研究對象往往采用分層澆注，各澆注層之間間歇時間不同。

由于以上原因，使得該問題用有限單元法來計算比較方便和準確。

3 工程實例

3.1 工程概況

4 結束語

總結實測數據和有限元分析水化熱溫度變化規律，可以得出以下結論：

（1）實測的最高溫度值均在澆注后的第3到4天中出現。

（2）混凝土澆注后的升溫速率非常快，而降溫速率則較慢，最高溫度持續時間較長。

（3）測點的實際溫度和運用MIDAS有限元軟件進行仿真模擬得到的理論值的變化規律相似，且測點溫度值比較接近。

（4）承臺長邊方向的預設測點測出的溫度均略低于短邊方向上測點的溫度值，主要是因為尺寸效應對溫度場的影響。

（5）模擬值與實測值也是存在差異的：大部分測點的實測溫度峰值出現時間與模擬溫度峰值出現時間相當，部分測點出現溫度最大值的時間與運用MIDAS有限元軟件進行仿真模擬得到的時間存在差異，但是一般差異在10h之內；實測溫度最大值要比理論值要高出1～7℃，這主要是由于運用MIDAS有限元軟件進行仿真模擬中混凝土表面系數的取值較小，當然還有施工條件的復雜性也不可忽略。另一個原因是在有限元的分析過程中沒有考慮模板的溫度。

參考文獻

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京：中國電力出版社，1999.

[2]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[3]陳仲先，湯雷.大型橋梁中大體積混凝土的溫度控制[J].橋梁建設，2001.