某大體積混凝土承臺水化熱仿真分析與溫度控制

周禮庚

中交三航局興安基建筑工程有限公司 上海 201315

大體積混凝土廣泛應用于現代建筑、橋梁等工程之中。水泥在硬化過程中會發生水化、水解和結晶等物理化學變化，導致混凝土釋放大量的熱量，從而使混凝土結構內外出現溫差，繼而產生裂縫[1]。最早對大體積混凝土水化熱進行研究的是20世紀30年代的胡佛大壩工程[2]。大體積混凝土因水化熱產生裂縫的本質原因是混凝土內部的熱量無法快速散失，內外溫差過大。因此，控制大體積混凝土裂縫可以從降低內部溫度著手。

陳昌哲等[3]基于CFD數值仿真方法，研究了冷卻水管對大體積混凝土內部降溫的效果，通過改變冷卻水管間距、層高等參數，總結出了針對特定項目的最佳降溫方案。

程華強等[4]在某大橋啞鈴形大體積承臺混凝土抗裂研究中，試驗了冷卻水管對降低混凝土水化熱溫升的效果，試驗結果表明合理設置冷卻水管可以起到較好的降溫效果。隨著計算機科學的不斷發展，數值仿真模擬已廣泛應用于大體積混凝土水化熱的研究之中。

朱伯芳[5]首次提出采用有限元結合熱傳導方程的方法來模擬冷卻水管的降溫效果，克服了在采用有限元法模擬冷卻水管時需要增加大量節點的困難，大幅減小了計算體量。

在工程應用領域，合理降低大體積混凝土溫升是確保大體量混凝土結構質量的重要環節。借助數值仿真技術預測大體積混凝土溫度場及應力場的分布情況，預測冷卻水管的布置對大體積混凝土內部溫度場的影響規律，可為采用大體積混凝土的結構施工提供理論依據。

1 工程概況

本文所研究的混凝土承臺為某75 m＋135 m＋75 m大橋的承臺。該承臺為六邊形，寬度為12.75 m，長邊為18.40 m，中線長度為26.25 m，混凝土厚度為3.5 m。混凝土采用C35，為減小水化熱，采用普通硅酸鹽水泥。承臺水平分2層澆筑，每層澆筑厚度為1.75 m，每澆筑一層后間隔7 d左右再澆筑第二層，嚴格按照相關技術規范進行施工縫的處理。水化熱控制不佳是導致大體積混凝土開裂，造成大體積混凝土質量事故的最主要原因。因此，大體積混凝土澆筑以及養護期間的溫度控制是確保大體積混凝土施工質量的關鍵。按照YBJ 224—1991《塊體基礎大體積混凝土施工技術規程》相關規定，必須采取相關措施降低大體積混凝土中心與表面的溫差。

本工程采用冷卻水管對混凝土承臺進行降溫，冷卻水管的平面布置如圖1所示。冷卻水管采用具有一定強度、內徑為32 mm的輸水管，連續通水，每個出水口的流量為10～20 L/min，降溫過程中實時監控混凝土中心及表面溫差，以及進出水口的溫度。第1層冷卻水管距離承臺地面為0.75 m，第2層冷卻水管距離第1層1.75 m。冷卻水管的平面布置如圖1所示，立剖面布置如圖2所示。為便于研究分析混凝土內部溫度的變化情況，在混凝土內部選取3個測溫軸進行溫度記錄，每個測溫軸設置2個監測點，測溫軸的布置如圖3所示。

圖1 冷卻水管平面布置

圖2 承臺立剖面

圖3 溫度監測點布置

2 承臺溫度場仿真分析

為全面了解大體積混凝土承臺溫度場以及應力場的分布，為水化熱溫控提供理論指導，預先對混凝土承臺的內部溫度場以及應力場進行有限元仿真計算。通過有限元仿真分析并結合施工經驗，為合理布置冷卻水管提供理論指導。在仿真計算中，混凝土材料的彈性模量取為2.7×104MPa，容重取為2 400 kg/m3，熱擴散系數為0.07 m2/d，比熱容為1.04 kJ/（kg·K），絕熱溫升取為33 K。計算過程中，考慮混凝土收縮、徐變對穩定應力的釋放效應。

2.1 有限元仿真分析模型

根據施工方案，采用Midas FEA建立有限元三維實體溫度場分析模型，預測未采取人工干預措施的情況下，承臺內部溫度場的分布情況。模型包含節點31 534個，三維實體單元170 981個。混凝土分2次完成澆筑，在計算模型中通過約束側面節點平動自由度的方式來模擬模板支護作用。除水泥水化熱效應及重力之外，不考慮其他形式荷載作用。澆筑工況模型如圖4所示。

圖4 分析模型

2.2 仿真結果及分析

從有限元數值計算的結果可以發現，第1次澆筑完成后第48小時，溫度到達了理論的最大值，即37.6 ℃，外部溫度約20 ℃，如圖5所示。隨著時間的推移，核心溫度逐步減小，第7天（即澆筑完成168 h）后，混凝土內部的核心溫度降低至23 ℃，如圖6所示。

圖5 第1次澆筑完成48 h后溫度場

圖6 第1次澆筑完成168 h后溫度場

第2次混凝土澆筑完成之后，提取模型應力云圖如圖7、圖8所示。由于混凝土散熱面的減少，混凝土內部在澆筑后的48 h，核心溫度最高達到45.9 ℃，如圖7所示。溫度的散失較為緩慢，第2次澆筑后的第168 h（即第7天），混凝土核心溫度降低至29 ℃，如圖8所示。

圖7 第2次澆筑完成48 h后溫度場

圖8 第2次澆筑完成168 h后溫度場

3 承臺水冷降溫控制措施及效果

從上述計算結果中可以看出，在未采取相關措施的情況下，第2次混凝土澆筑之后，混凝土的核心溫度將最高達到45.9 ℃，為避免混凝土內部產生溫度裂縫，有必要采取措施來降低溫度。下面將按前文所述冷卻水管參數進行溫度控制，通過有限元理論計算，論證方案的可行性。

3.1 水冷降溫有限元分析模型

按上述方案，采用Midas FEA重新建立水化熱數值分析模型，并將冷卻水管布置進模型之中。按施工方案設置施工階段分析模型，冷卻水管的布置如圖9所示。荷載、邊界條件等參數與未設置冷卻水管的計算模型完全一致，此處不再贅述。

圖9 冷卻水管布置模型

3.2 計算結果分析

根據前文未設置冷卻水管的溫度場計算結果發現，混凝土澆筑48 h后的水化熱達到峰值，核心溫度將達到最大值。因此，下文將提取設置冷卻水管條件下2次混凝土澆筑后的溫度場云圖，如圖10～圖13所示。

圖10 第1次澆筑48 h后溫度場

圖11 第1次澆筑168 h后溫度場

圖12 第2次澆筑48 h后溫度場

圖13 第2次澆筑168 h后溫度場

從計算結果中可以發現，通過冷卻水管的降溫作用，第1次澆筑的混凝土最高核心溫度從37.6 ℃降低到33.5 ℃；第2次澆筑的混凝土最高核心溫度從45.9 ℃降低到41.5 ℃，降溫效果顯著。從應力云圖中可以明顯看出冷卻水管的作用，通過冷卻循環水循環不斷帶走混凝土內部熱量。混凝土澆筑完成7 d后，混凝土內、外溫度基本一致。

3.3 溫度監測

對大體積混凝土進行溫度監測時，先要在混凝土澆筑之前按照溫度監測方案對溫度傳感器進行標定，然后埋入傳感器，將傳感器信號接入電腦，最后對監測成果進行整理分析。根據上述有限元仿真分析的數值計算結論，進行溫度監測傳感器的預埋工作。為準確監測混凝土溫度，傳感器一般布置在混凝土核心以及距離表面50 cm的位置，在監測過程中還要對大氣溫度、混凝土入模溫度、澆筑溫度等參數進行同步監測。澆筑完成后立即開展并持續進行監測工作。

依次提取A—C軸從上到下的2個測點的溫度值繪制時間曲線，如圖14所示。從溫度曲線中可以看出，越是中心區域，溫度越高，同一個溫度軸靠近中心區域的溫度較邊緣測點的溫度高，即混凝土核心溫度隨著距離中心的擴大而減小。混凝土澆筑完畢后2～3 d是混凝土核心溫度最高的時間，隨著時間的推移，溫度逐步降低并趨于穩定。

圖14 監測軸溫度變化曲線

4 結語

本文通過有限元數值仿真分析軟件，對某承臺設置了循環冷卻水和未設置循環冷卻水2種工況進行水化熱溫度場計算。數值計算結果表明，混凝土澆筑完后一段時間內水化熱劇烈，混凝土急速升溫，達到峰值后逐步降溫。計算結果表明，合理設置循環冷卻水對降低混凝土核心溫度效果顯著。理論數值計算對于預測大體積混凝土溫度場具有前瞻性和可行性，本文研究成果可為類似工程提供參考。