冷卻管在大體積混凝土裂縫控制中的應用研究

何貝貝 ，王亞西 ，趙 娟

(1.武漢三源特種建材有限責任公司，武漢 430083；2.武漢晨鳴中利置業有限責任公司，武漢 430000；3.武漢源錦建材科技有限公司，武漢 430083)

大體積混凝土結構在水化熱作用下極易產生溫度裂縫，預埋冷卻管作為大體積混凝土裂縫控制常用技術措施之一在實際工程中具有較為廣泛的應用，其原理主要是通過水管內部流動的冷卻水帶走結構內部的一部分熱量，降低結構溫峰值，減小結構由于溫度變化引起的溫度應力，從而實現大體積混凝土裂縫控制。

目前，關于冷卻管的應用已經有諸多研究，尤其是在研究冷卻管布置的經濟性和冷卻效果方面，不少學者提供了可靠的理論依據，研究了冷卻水溫、通水流量、水管管徑、水管間距、材質等因素對冷卻管冷卻效應的影響[1-6]，為現場施工冷卻管布置方案提供了參考。但是工程應用中，考慮到現場條件的局限性以及結構的差異性，冷卻管布置方案中的較多參數并不能完全按照參考文獻中推薦的數值范圍進行設置，所以仍需在施工前期借助仿真分析模型，結合實際施工可達到的條件來模擬整個施工過程，獲得較優的冷卻管布置方案。

以某住宅樓大體積混凝土底板為例，借助midas FEA有限元軟件中的水化熱分析，建立了底板結構模型，模擬了無冷卻管和有冷卻管兩種工況條件，得到了兩種工況的溫度場、應力場分布及開裂風險等結果，指導后期底板結構的冷卻管布置方案；并對施工過程中的溫度變化進行監測，工程應用效果表明借助有限元手段，結合現場施工條件，有針對性地制定冷卻管布置方案能夠取得較好的裂縫控制效果。

1 工程概況

位于武漢市漢南區楚天府小區的10#樓，為超高層住宅樓，建筑高度為133.3 m，地下1層地上45層。底板為異形長方形，如圖1所示，底板結構最長邊為44.8 m，最寬邊為19.55 m，厚度為1.9 m；底板下設有100 mm厚的C15素混凝土墊層；底板混凝土強度等級C35P6，配合比如表1所示。根據該項目的大體積混凝土施工方案，該樓底板混凝土預計施工時間為5月下旬；采用分層澆筑法，分層厚度0.2～0.3 m，連續不間斷澆筑；底板側模板采用300 mm厚的磚胎模。

表1 底板C35P6混凝土配合比 /(kg·m-3)

2 有限元建模

前期采用midas FEA進行仿真分析擬定冷卻管布置方案時，考慮到模型運算的便捷性，在結構以及參數設置上作出以下幾點假定：1)模型中不考慮承臺、樁基的影響，忽略底板4個不規則的邊角；2)不考慮底板結構內部鋼筋以及其它材料對混凝土的影響；3)布置的冷卻管與整個混凝土底板相比，所占體積比例較小，考慮冷卻管的冷卻效果時忽略冷卻管體積的影響。

2.1 計算參數選取

C35底板混凝土熱學性能參數如表2所示。

表2 C35底板混凝土熱學性能參數

2.2 邊界條件選取

有限元模型中涉及到的邊界條件包括以下幾類：

1)固結邊界：在墊層底部節點設置固結約束，約束其三個方向的平動自由度。

2)對流邊界：底板在施工成型過程中，不同的介質會影響到底板水化熱的傳播速度以及內部溫度場的分布，底板側面與磚胎膜接觸，對流系數取100 kJ/(m2·h·℃)；頂面暴露于空氣中，澆筑完成后會采用塑料薄膜覆蓋，對流系數取190 kJ/(m2·h·℃)。

3)固定溫度邊界：在仿真分析過程中，假定墊層混凝土的溫度是不隨時間發生變化的，取環境溫度的平均值24 ℃。

2.3 模型建立

根據前述相關參數條件，建立有限元模型如圖2所示。

2.4 冷卻管的布置方案

冷卻管的布置方案根據相關參考文獻的建議，結合現場施工可提供的條件，通過midas FEA的多次試算，最終確定了一個較優的方案，限于篇幅，對試算過程不做描述。

具體布置方案如下：1)冷卻管選用直徑為0.05 m的PE水管，冷卻水的相關參數信息如表3；2)在底板厚度方向上布置2層，上層水管、下層水管分別距離底板上表面0.5 m和1.4 m；3)在底板水平層面上采用蛇形布置方式，如圖3所示，最外層水管距離底板輪廓線0.6 m，水管間距按1.5 m設置，由于底板尺寸不規則的緣故局部間距有1.45 m、1.6 m和1.8 m；4)底板厚度澆筑至0.9 m高時開始通水，澆筑完成之后繼續通水11 d。

表3 冷卻水相關參數

2.5 現場施工

根據最終確定的冷卻管布置方案，在底板混凝土澆筑前埋設冷卻管；同時在底板上布置6個測溫點，位置示意圖如圖3所示，每個測溫點在距離底板上表面0.5 m(上部)、1.0 m(中部)、1.5 m(下部)三個厚度位置處埋設有測溫計，以便后期監測底板溫度變化。

底板澆筑完成后，考慮到原仿真分析設置的模擬條件與實際施工略有出入，故將原底板定義的水化熱階段重新進行設置。底板混凝土實際澆筑時間為5月23日凌晨，具體的澆筑進度為：1)2019.5.23 4:30～7:30澆筑底板厚度0.9 m，澆筑溫度為24～27 ℃，澆筑完成后下層水管開始通水；2)2019.5.23 7:30～19:30澆筑底板厚度1.0 m，澆筑溫度為26～32 ℃，澆筑完成后上層水管開始通水。

3 溫度場分析

通過設置無冷卻管、有冷卻管兩種分析工況，運算模型，得出相應的計算結果。結果顯示，同種工況下6個測溫點在相同高度位置處的溫度曲線基本一致。故后期僅分析5#測溫點，結合GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》中關于大體積混凝土施工的溫控指標——溫升值、里表溫差、降溫速率等，進行無冷卻管和有冷卻管兩種工況下溫度場的對比分析，如圖4～圖6所示。

有無冷卻管工況下的溫度場分析如下：

1)由圖4可知，無冷卻管時的溫度曲線溫峰值高于有冷卻管時，底板中心部位在81 h時達到溫峰值69.3 ℃；而有冷卻管時，中心部位在81 h時達到溫峰值64.4 ℃，溫峰值降低了4.9 ℃。兩者的溫升值分別為43.3 ℃、38.4 ℃，均小于50 ℃，符合標準要求。同時，與無冷卻管工況相比，有冷卻管時下部、中部、上部三個位置的溫度最大的降幅分別為4.0 ℃、5.4 ℃、3.9 ℃。

2)由圖5可知，底板在無冷卻管和有冷卻管兩種工況下最大里表溫差分別為24.7 ℃、21.8 ℃，均未超過標準中的限值25 ℃；有冷卻管工況下最大里表溫差下降了2.9 ℃。

3)由圖6可知，底板中心部位進入降溫階段后，無冷卻管時溫度曲線下降更快，其最大降溫速率為4.74 ℃/d，而有冷卻管的最大降溫速率為3.89 ℃/d。兩種工況下的降溫速率超出標準限值2 ℃/d的時間范圍基本一致，但無冷卻管的整體降溫速率高于有冷卻水管時，最大降溫速率高出0.85 ℃/d。有冷卻管時，冷卻水帶走混凝土水化時的一部分熱量，結構的降溫速率有所減小，對結構而言不會因為降溫過快而增大開裂風險。

綜上所述，在大體積混凝土底板中設置冷卻管時，各項溫控指標均低于無冷卻管的工況，溫峰值、里表溫差、降溫速率等的減小，對控制大體積混凝土結構開裂更為有利。

4 應力場分析

根據朱伯芳院士的觀點：混凝土裂縫的產生是由于拉應力超過了抗拉強度。為了防止混凝土裂縫，不能單純控制溫度，必須嚴格控制溫度應力不超過允許拉應力。以5#測溫點為參考，在有無冷卻管的工況下其溫度應力與允許拉應力的關系如圖7所示。由圖7可知，設置冷卻管之后，底板的溫度應力超過允許拉應力的時間縮短了30～50 h；與無冷卻管相比，大部分時刻的溫度應力也減小了0.66%～32.63%。

根據模型運算結果，以裂縫指數(溫度應力與允許拉應力的比值)的大小來衡量底板開裂風險的大小，可知當裂縫指數<1，且越接近0，其開裂風險越大，產生有害裂縫的幾率就越大。將整個底板體積設為1，兩種工況下不同時刻底板裂縫指數介于0～1之間的體積比如圖8所示。由圖8可知，設置冷卻管之后，具有開裂風險的區域體積比均有所下降，最大減幅為20.3%。

從底板的應力、裂縫指數兩個指標的變化，可以直觀地表明，設置冷卻管后底板的開裂風險得以降低，有利于大體積混凝土的裂縫控制。

5 工程應用效果

5#測溫點現場實測溫度數據與仿真模擬得出的溫度對比曲線如圖9所示。

由圖9可知，底板結構實測溫度比仿真模擬的溫度要略高，實測中5#點在85.5 h達到溫峰值68 ℃，與模擬的結果81 h時達到溫峰值64.4 ℃相比，溫峰時間較為接近，溫峰值要高出3.6 ℃。偏差在可接受范圍內，認為仿真分析在工程應用中發揮了預測作用，其模擬結果是具有參考意義的。

底板澆筑完成10 d后查看表面裂縫情況，發現除了局部干縮裂紋外，沒有寬度超過0.3 mm的有害裂縫，效果較好。可見通過冷卻管的設置，大體積混凝土底板的裂縫控制效果較好。

6 結 論

a.針對1.9 m厚的大體積混凝土結構，采用仿真分析預測結構在無冷卻管和有冷卻管兩種工況下的溫度場、應力場的變化情況，根據仿真分析結果及底板應用效果顯示：在大體積混凝土裂縫控制中，事前的仿真分析有利于更科學地設置冷卻管，使得裂縫控制效果事半功倍。

b.在大體積混凝土結構中設置冷卻管，不能完全消除結構的開裂風險，故后期在允許范圍內仍需輔以其它的措施，如加強結構的保溫保濕養護等。