大體積混凝土溫度效應控制中的冷卻管優化研究

吳冬蘭

摘要：大體積混凝土澆筑過程中溫度效應控制不當往往容易產生裂縫，冷卻管作為主要的溫度效應控制措施，其布置形式對溫度效應控制具有決定作用。文章采用FEA有限元軟件對一座矮塔斜拉橋主墩承臺大體積混凝土水化熱進行了有限元分析，以間距中心作為控制點，運用窮舉法優化了冷卻管的橫向間距和層間距布置形式，冷卻管橫向間距和層間距最優分別為1.2m和1.3m，冷卻管用量減少了7.38%，提高了經濟效益。

關鍵詞：大體積混凝土;溫度效應;冷卻管;窮舉法

0 引言

在大體積混凝土澆筑過程中布置冷卻管是主要的溫度效應控制措施，而冷卻管橫向間距和層間距對水化熱控制具有決定作用。20世紀中期劉寧等人對冷卻管與混凝土之間的熱量交換平衡原理進行了研究，“排水子結構”理論得到了進一步優化[1]。此后，國內外學者在大體積混凝土內外溫度差與裂縫控制方面的研究較多，但主要集中在養護條件、環境溫度、澆筑溫度、澆筑方法和混凝土配合比方面，冷卻管降溫措施雖然常見，卻少有研究[2-5]。在運用有限元計算大體積混凝土溫度變化規律的基礎上，采用冷卻管控制大體積混凝土的溫度效應成為了目前工程中普遍認可的方式。本文通過對一座矮塔斜拉橋主墩承臺大體積混凝土水化熱的有限元分析，優化了冷卻管的橫向間距和層間距布置形式，承臺混凝土連續澆筑不分層得到實現，優化后的冷卻管布置形式使得工程經濟性提高，對規模相似的大體積混凝土澆筑具有一定的指導意義。

1 工程背景

某雙塔單索面預應力混凝土矮塔斜拉橋，如圖1和圖2所示，主墩采用整體式矩形承臺基礎，橫橋向長32.342m，順橋向寬19.0m，承臺周邊轉角為圓倒角。承臺高6.0m，混凝土強度等級為C40，總澆筑方量為3513m3，采用鋼模立模一次性澆筑，混凝土澆筑體積大，需要在澆筑過程中采取有效的溫控措施。

2 大體積混凝土溫度場有限元分析

2.1 物理熱學特性參數取值

本項目承臺混凝土強度等級為C40，水泥采用P·Ⅱ硅酸鹽水泥，在拌和過程中添加粉煤灰及高效減水劑以盡可能地從原材料方面降低大體積混凝土的溫度效應。考慮到工程建設過程中并未對混凝土物理熱學特性進行試驗，相關參數取值參考了《大體積混凝土溫度測控技術規范》（GB/T51028-2015）及相關文獻[6-8]，除混凝土強度等級及水泥品種外，其他物理熱學特性參數見表1。

2.2 冷卻管優化方法

根據相關規范規定[6]，本橋承臺高6m，應采用多層多回路冷卻管。冷卻管采用鋼管材料時，管橫向間距應在1.0～2.0m，層間距宜為1.5m（見圖3和圖4）。不同的大體積混凝土，熱性能參數不盡相同，需要因地制宜地對項目進行冷卻管的橫向間距及層間距設計。大體積混凝土冷卻管布置間距參考范圍小，采用窮舉法簡單直接解決本項目冷卻管橫向間距及層間距優化問題，優化計算內容見表2。

2.3 有限元模型

本項目承臺為32.342m×19.0m×6.0m不規則體，考慮到冷卻管布置并非對稱形式，采用FEA有限元分析軟件建立整個承臺實體模型，如下頁圖5所示。離散單元采用6面體實體單元，承臺劃分為127509個節點，單元83243個。橋梁承臺采用鋼模板立模，6m高承臺一次性澆筑。有限元模型的邊界條件如下：

（1）承臺澆筑完成后頂面與空氣直接接觸，項目承臺在4月份澆筑，根據橋址所在區域往年平均氣溫統計結果，混凝土表面與大氣接觸處溫度取值與統計結果一致，均為25℃，且混凝土表面熱流量函數與時間相關。

（2）承臺底面與墊層交界，不設對流邊界。

（3）承臺四周支模采用鋼模板，符合第3類邊界條件的特點，即-λ[SX（]t[]n[SX）]=β（t-ta），其中β為表面放熱系數，λ為導熱系數，t為混凝土外表面溫度，ta為承臺周圍介質溫度。

3 冷卻管布置優化結果及分析

3.1 橫向間距優化結果及分析

假定層高為定值，在冷卻管橫向間距的優化過程中，顯然間距越大越不利，當計算結果滿足要求之后，不需再對后續擬定的間距進行計算。承臺為非規則幾何體，冷卻管不能均勻滿布，典型控制點取冷卻管橫向間距的中點（見圖3）。冷卻管在不同橫向間距工況下，承臺混凝土內部典型控制點溫度效應結果見表3，無冷卻管和橫向間距優化后（1.2m工況）承臺澆筑過程最大溫度效應云圖見圖6和圖7。

（1）從圖6可見，不設冷卻管時承臺澆筑過程中最大溫度為70.8℃，最大拉應力為4.83MPa，最大壓應力為5.51MPa，拉壓應力不滿足同齡期混凝土受力，需要布置冷卻管來控制內部溫度及應力。

（2）橫向間距在1.0～1.2m時，承臺典型控制點最大溫度為49.5℃～50.1℃，最大拉壓應力均變化較小;橫向間距在1.3～1.5m時，承臺典型控制點最大溫度在53.2℃～58.5℃范圍內，最大拉壓應力在2.25～3.16MPa范圍內。

（3）1.2m橫向間距時，冷卻管附近與典型控制點最大溫差可控制在25℃以內，滿足規范要求，可見冷卻管橫向間距優化值為1.2m。

（4）與規范規定的冷卻管橫向間距1m比較，冷卻管用量減少了7.38%。

3.2 層間距優化結果及分析

以3.1節優化結果為基礎，假定冷卻管橫向間距1.2m為定值，以規范推薦值1.5m進行計算，溫度效果不佳時，按0.1m間隔縮短冷卻管層間距進行計算。通過有限元軟件窮舉法計算表2中層間距的優化內容，典型控制點取冷卻管各層間距的中點（見圖4），冷卻管在不同層間距工況下，承臺混凝土內部典型控制點溫度效應結果見表4，無冷卻管和層間距優化后（1.3m工況）承臺澆筑過程最大溫度效應云圖見圖8和圖9。

（1）承臺冷卻管采用1.5m層間距時，混凝土最大溫度為61.1℃，最大拉應力為3.22MPa，混凝土溫差超過25℃，拉應力偏大，混凝土有開裂風險，可見1.5m層間距并非最佳值，需要根據不同工程規模及施工條件進行冷卻管層間距優化。

（2）層間距在1.0～1.3m時，承臺典型控制點最大溫度為48.6℃～50.2℃，最大拉壓應力均變化較小;層間距在1.4～1.5m時，承臺典型控制點最大溫度在55.6℃～61.1℃范圍內，最大拉壓應力在2.56～3.22MPa范圍內。

（3）1.3m層間距時，冷卻管附近與典型控制點最大溫差可控制在25℃以內，滿足規范要求，可見冷卻管層間距優化值為1.3m。

4 結語

本文在有限元計算大體積混凝土溫度變化規律的基礎上，以間距中心作為控制點，優化了冷卻管的橫向間距和層間距布置形式，得到了一些有益的結論：

（1）需要根據不同工程規模及施工條件對大體積混凝土冷卻管布置形式進行優化。本工程冷卻管橫向間距和層間距最優值分別為1.2m和1.3m。

（2）通過對冷卻管橫向間距的優化，與規范規定的冷卻管橫向最小間距1m比較，冷卻管用量減少了7.38%，提高了經濟效益。

（3）在冷卻管布置形式優化過程中，表內溫差一般控制在25℃以內，以間距中心作為控制點可提高溫度控制的準確性。

參考文獻：

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[7]劉世建，某拱橋承臺大體積混凝土水化熱溫度效應研究[J].南華大學學報（自然科學版），2018，32（5）：60-64.

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