雙循環管冷大體積混凝土水化熱分析

肖峰 寧曉駿 楊東 舒永濤

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

在澆筑混凝土完成的養護期間，需要控制和降低混凝土水化熱，其溫控措施有很多種，如摻加外加劑、降低水灰比以及采用低水化熱的水泥等，還可以通過布置管冷，在冷卻管內通入冷卻水降低混凝土的水化熱溫度，進而有效降低混凝土的內外溫差，減少混凝土裂縫的出現[1-2]。筆者以東河大橋為例，利用有限元軟件，建立實體模型，結合施工邊界條件和水流流通情況，分別選用了矩形布置管冷和蛇形布置管冷，進行全程水化熱溫度及應力場仿真分析，以分析雙循環效果最佳的管冷布置方案和最合理的鉛直距離。

1 工程概況

東河大橋位于四川省境內，為預應力混凝土連續梁橋，橋面寬度為19 m，橋梁全長為428 m，承臺采用c30混凝土。橋梁所在地區地震烈度為7度，設計基本地震加速度為0.1g。

2 水化熱分析原理

在混凝土澆筑完成后，由于其內部溫度上升較快、表面溫度上升較慢，導致內部產生較大壓應力、外部產生較大拉應力。混凝土水化熱分析主要有兩個過程，一是熱傳導分析，二是熱應力分析[3]。混凝土水化熱需要根據熱傳導方程、初始條件及邊界條件確定，其等效熱傳導方程為

(1)

(2)

式中，α為導溫系數；θ0為最終絕熱溫升；θ1為外表絕熱下水管冷卻和絕熱溫升下的溫升；ω為假設無熱源狀態下冷卻水溫度與混凝土溫度不平衡項形成的冷卻系數；φ為考慮冷卻水對水化熱削減后水化熱變化系數；τ為混凝土齡期；t0為混凝土澆筑溫度；tw為冷卻水進水口溫度[4]。

3 有限元模型

3.1 邊界條件及計算參數的確定

在混凝土的溫度場分析中，一般有4類邊界條件，由于混凝土澆筑屬于空氣對流邊界，因此本模型屬于第3類邊界條件，即

(3)

式中，β為表面放熱系數；t為混凝土表面溫度；ta為周圍介質的溫度；n為計算板面的外法線方向；λ為導熱系數[5]。

計算參數如下：承臺比熱容為0.85 kJ/(kg·℃)，熱傳導率為10.5 kJ/(m·h·℃)；地基的比熱容為0.5 kJ/(kg·℃)，熱傳導率為1.9 kJ/(m·h·℃)；初始溫度和環境溫度均為19 ℃，通入冷卻水的水溫為15 ℃，冷卻水對流系數為300 kJ/(m·h·℃)。

3.2 管冷埋設形式

大體積混凝土內部冷卻水管選用管徑為27 mm的標準鑄鐵水管。在理論上，冷卻水管在鉛直方向上可分別按矩形、蛇形、梅花形布置，但考慮到梅花形布置在施工過程中難以控制，因此在實際工程中通常采用矩形或蛇形布置。由于實際工程中冷卻水管進、出水口通常是固定的，所以施工過程中混凝土冷卻水管普遍共用1根引水管道，如圖1所示。

(a)矩形雙循環 (b) 蛇形雙循環圖1 冷卻水管的埋設形式

3.3 計算模型

采用有限元軟件Midas/Gen，建立長、寬、高分別為24、16、5 m的混凝土承臺空間模型，為便于查看內部溫度分布及應力發生狀況，取整體模型的1/4進行計算，考慮到地基對于混凝土水化熱的吸收，建立了足夠大的地基模型，長、寬、高分別為48、28、3 m，對澆筑混凝土后1 000 h的水化熱進行分析。管冷作用于前100 h ，計算模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

4 計算結果分析

4.1 溫度場的計算結果

該模型的分析時間分別取10、15、25、30、50、75、100、130、170、250、360、490、590、700、900、1 000 h，最大絕熱溫升為68 ℃，冷卻水初始溫度為15 ℃，計算承臺在1 000 h 內的溫度場，記錄承臺和地基的溫度變化情況[6]。

在倉面采用2種以雙循環方式進行通水冷卻的水管，布置方案分別為在鉛直距離2 m處布置蛇形和矩形管冷、在鉛直距離2.5 m處布置蛇形和矩形管冷，具體模型分別編號為1#～4#。由于在350 h后，混凝土溫度與地基溫度基本一致，所以筆者主要展示了0～350 h的溫度歷程曲線，選取了具有代表性的節點N3和N524進行混凝土與地基的溫度變化分析[7]，如圖3所示。

(a) 1#模型(2 m蛇形)

可以看出，在0～25 h，溫度開始集中上升，并在25 h時達到最高值；隨后在25～90 h，溫度開始集中下降，其中1#、2#模型的最高溫度分別為31.36、31.96 ℃;在95 h時,溫度與環境溫度基本一致,3#、4#號模型的最高溫度分別為32.74、32.85 ℃;在95 h后,溫度與環境溫度基本一致。由此可見，在2種鉛直距離中，2 m為最佳位置，采用蛇形管冷布置的溫度峰值普遍較矩形管冷布置的低。

4.2 應力場的計算結果

本模型產生溫度應力的主要原因是澆注混凝土后截面的溫度差引起的內部約束[8]，因此在研究應力場時，主要采用N2426、N290、N3、N316等具有代表性的節點進行分析，如圖4所示。

(a) 1#模型(2 m蛇形)

可以看出，1#～4#模型均在0～100 h發生應力反轉，由壓應力轉變為拉應力；其中在0～30 h壓應力普遍急速上升，在30～100 h壓應力急速下降；在反轉過程中，1#模型壓應力幅值最小，為292.975 kN/m2，4#模型壓應力幅值最大，為403.859 kN/m2；1#～4#模型從澆筑開始到澆筑后1 000 h內，應力都超過其最大允許應力，所以都不會產生混凝土裂縫。由此可見，1#模型在應力場方面具有顯著優勢。

5 結論

通過有限元軟件對2種雙循環管冷布置方式以及2種鉛直距離組合建模，進行混凝土與地基的水化熱分析，得出以下結論：

(1)無論從溫度場角度，還是從應力場角度，蛇形雙循環管冷布置在溫控方面的能力均優于矩形雙循環管冷布置，在降低水化熱方面的能力更為突出。

(2)在倉面布置管冷時的位置尤為重要，管冷的位置對應力的影響很大，合理的布置對大體積混凝土溫控防裂更為有利。在本模型中，距離地基2 m位置處為布置倉面管冷的最佳位置。