考慮冷卻水效應的閘墩混凝土施工期溫度場研究

張朋軍，付有洪，李金磊

（1.中鐵七局集團第三工程有限公司，西安 710032；2.華北水利水電大學，鄭州 450045）

0 引言

混凝土是目前建筑行業中消耗量最大的建筑材料。在大體積混凝土澆筑早期，膠凝材料在水化反應過程中生熱，由于混凝土結構體量較大，熱傳導系數相對較小，結構內部的熱量難以散發出去，而外表面熱量散發較快，從而在混凝土內外形成溫度梯度。當溫度梯度過大時，混凝土結構則可能產生破壞性的裂縫，因而在大體積混凝土內部埋設冷卻水管，可帶走混凝土內部的熱量，削減水化熱的峰值，是最為有效的人工冷卻措施之一[1]。含冷卻水管溫度場的確定，是一種典型的大體積混凝土結構內部含有大量小口徑流體邊界條件的復雜問題[2]。由于大體積混凝土本身是一種非均質的材料，其力學行為是非線性的，所以其溫度場也具有不均勻性和高度非線性[3]。本文基于大體積混凝土溫度場理論[4，5]，針對采用冷卻水管進行控溫的閘墩，采用有限元熱流耦合法模擬冷卻水管的作用，對閘墩混凝土施工期三維溫度場進行了仿真分析，得到混凝土內部和水管周圍的溫度場。同時證明，基于熱流耦合方法模擬水管冷卻效果，能考慮水管水溫的沿程變化和水管的不同布置形式，是一種行之有效的模擬手段。

1 研究對象及水管布置

1.1 研究對象

閘墩長13.98 m，寬2 m，高10 m。閘墩坐落在混凝土底板上，底板長13.98 m，寬12 m，高5 m，先澆筑底板，在底板澆筑15 d 后，澆筑閘墩。閘墩和底板均采用C30混凝土澆筑，閘墩、底板均兩個小時澆筑一層，底板一層澆筑0.5 m，閘墩一層澆筑1 m，各澆筑10層。采用內摻法摻用DF-11復合防水劑，混凝土選用配合比見表1。

表1 混凝土配合比

1.2 水管布置

閘墩底板高5 m，寬12 m，冷卻水管管徑3 cm。水管布置采用兩種方案（見圖1），方案一在距底板底部2.5 m 處，從左向右依次插入4 根冷卻水管，通水時長為澆筑開始后10 d；方案二在距底板底部1.75 m、2.5 m、3.75 m處，從左向右依次每隔1.5 m插入水管，通水時長為澆筑開始后10 d。

圖1 冷卻水管布置圖

流體單元的主節點溫度，由流體單元進水口處的溫度決定，水管的沿程水溫變化，可通過定義水管入口節點的初始溫度和按照施工順序施加管內質量流率（見圖2）。

圖2 熱流耦合模型

假設管中流速控制在0.61 m/s 左右（對應通水流量約為1.2 m3/h），管內質量流率為1200 kg/h。水的導熱系數為2.17 kJ/（m·h ·℃），水比熱c=4.2 kJ/（kg·℃），水密度ρ=1000 kg/m3，表面放熱系數為150 kJ/（m2·h·℃）。

2 結果分析

2.1 方案一溫度場

圖3（a1）（b1）（c1）為閘墩底板距底部2.5 m 處縱剖面各天的溫度分布圖，圖3（a2）（b2）（c2）為閘墩底板中心橫剖面處各天的溫度分布圖。

圖3 方案一溫度分布圖

由圖3 可以看出，水管周圍的混凝土溫度受到了影響，并且可以清楚地看到水管周圍的溫度場以水管中心為原點逐步發散成環狀分布，離水管越近，冷卻效果越明顯，說明在混凝土中布置冷卻水管可以達到降低混凝土溫度的效果。

方案一只在距底板2.5 m 的平面上橫向間隔3 m布置水管，從圖3可以看出，這種水管布置方式對整體降溫效果不太好，要達到削弱混凝土的最大溫度，達到整體降溫的效果，需要在橫向和縱向布置更多的水管。

2.2 方案二溫度場

圖4（a1）（b1）（c1）為閘墩底板距底部2.5 m 處縱剖面各天的溫度分布圖；圖4（a2）（b2）（c2）為閘墩底板中心橫剖面處各天的溫度分布圖。

圖4 方案二溫度分布圖

由圖4可以看出，通過加密冷卻水管，可以使閘墩底板結構整體溫度分布相對均勻，與方案一相比，降溫效果良好。采用方案二加密冷卻水管的方式，可避免因混凝土內部局部溫差過大導致的混凝土開裂。

3 結論

本文對冷卻水管的兩種不同布置方案對閘墩底板整體冷卻效果進行分析，結果表明采用加密冷卻水管的方式，可以減小因內外溫差和約束引起的溫度應力，達到防止混凝土開裂的目的。