單循環管冷大體積混凝土水化熱分析

（昆明市公路工程質量檢測中心有限公司，云南昆明 650000）

0.引言

伴隨著世界橋梁向大跨度的趨勢發展，大跨度橋梁的承臺也逐漸大規模使用大體積混凝土。在澆筑體積較大的混凝土構件時，混凝土產生水化熱，由于承臺的尺寸較大，混凝土內部的熱量沒有辦法快速的向外部散發出去，而混凝土表面的熱量散熱的較快，從而形成在混凝土內部的溫度梯度[1]。當大體積混凝土的內部與外部的溫度差值過大時，就時常會在混凝土的表面形成溫度裂縫，因此，為了能夠有效控制大體積混凝土承臺內部與外部的溫度差，通過將冷卻水管埋置于大體積混凝土承臺的內部，來減小大體積混凝土的內部溫度[2]。作者擬以金山特大橋的大體積混凝土承臺為研究對象，利用有限元軟件，建立實體模型，分別采用兩種完全不同的管冷布置方式，以尋找最優的布置方式來減少混凝土產生溫度裂縫[3]。

1.工程概況

金山特大橋位于三臺縣。主橋為(115+125+115)m，橋型是預應力混凝土連續剛構橋梁，橋面寬16m，最大縱坡2.75%。承臺采用C50混凝土，其主墩承臺平面為長方形，厚8m，平面尺寸24m×24m。在開始澆筑大體積混凝土承臺時，便開始向冷卻水管內通入冷水，冷卻水管采用的是管徑為12mm的鑄鐵水管[4]。此橋梁承臺的管冷布置方案分別為矩形管冷、蛇形管冷。

2.建立有限元分析模型

2.1 計算模型

采用有限元軟件Midas/Gen，建立了橋梁承臺的實體模型。橋梁承臺的長度、寬度、高度分別為24m、24m、8m。取地基厚度為4m，且長度、寬度都比橋梁的承臺大20m。根據其結構的對稱性，本計算模型取整體模型的1/4來進行分析[5]。該模型共有2355個節點，1730個實體單元。最大絕熱升溫為65℃，對橋梁承臺在澆筑混凝土后的700h水化熱進行計算分析，冷卻水管作用于前70h。

2.2 熱力學參數設置

依照該工程施工過程中實際情況，本承臺混凝土的比熱為0.3kJ/(kg·℃)，熱傳導率取值為2.8kJ/(m·h·℃)[6]。地基的比熱取值為0.2kJ/(kg·℃)，熱傳導率取值為1.7kJ/(m·h·℃)。混凝土的環境溫度指的是在其澆筑后，養護過程中的周圍溫度[7]。根據該工程橋址的氣候條件因素綜合考慮，決定將混凝土的初始溫度與混凝土的外部環境溫度都取值為22℃。

3.模擬結果

3.1 溫度場

模型分析時間取10h,20h,30h,45h,60h,80h,100h,130h,170h,250h,350h,500h,700h。本承臺的實體模型計算了大體積混凝土在700h內的溫度場，最大絕熱升溫為68℃，冷卻水的初始溫度為16℃，記錄了承臺溫度的變化情況。分別選取承臺的兩點，分別為N998、N891兩個具有代表性的節點進行分析[8]。具體情況如下：

其中，如圖1、圖2所示，運用矩形管冷與蛇形管冷的最高升溫溫度粉分別為30.5℃、48℃。其中矩形管冷在降溫時具有一段緩沖時期，而蛇形管冷的降溫速度快，且承臺內外側在溫度最高時，溫差較大，相差最大為18℃。矩形管冷承臺溫度于180h后趨于穩定，蛇形管冷在160h后，溫度趨于穩定。

圖1 矩形管冷溫度

圖2 蛇形管冷溫度

3.2 應力場

混凝土的溫度應力是由于承臺內部結構的溫度發生變化時，受到內部與外部約束作用而產生的應力[9]。在大體積混凝土溫度應力的作用下，大體積混凝土承臺結構的開裂與混凝土的受力狀態均同時受混凝土主拉應力的方向和主拉應力的大小的影響[10]。

如圖3、圖4所示，采用蛇形管冷，混凝土出現了較大的應力，先出現了較大的壓應力，隨后又出現了較大的拉應力，最后在175h后趨于穩定，其最大應力值為-600kN/m2，而采用矩形管冷，沒有出現較大的壓應力與拉應力，其最大應力值為-68kN/m2，同樣最終在175h后，趨于穩定。

圖3 矩形管冷應力

圖4 蛇形管冷應力

4.結論

通過有限元軟件建模分析，對大體積混凝土承臺的水化熱進行了計算、對比、分析，得出了在兩種不同管冷布設方案下的大體積混凝土水化熱情況，其結論為，矩形管冷在溫度方面明顯優于蛇形管冷，其最大溫度值較小，且降溫平緩，從應力值層面出發，矩形管冷的布置方案同樣優于蛇形管冷的布置方案，矩形管冷對于應力值的控制情況也較好，因此，在實際的施工方案中，推薦采用矩形管冷進行降溫處理，以防止混凝土產生開裂現象。