基于CFD 的承臺混凝土溫控技術(shù)分析

■林 群

（中核華辰建筑工程有限公司，莆田 351100）

橋梁施工過程以混凝土澆筑為主。 在混凝土澆筑過程中，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度會發(fā)生變化。 受內(nèi)外溫差影響，承臺在施工過程中易產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而影響橋梁的穩(wěn)定性和安全性。 為避免出現(xiàn)此類問題，研究人員進(jìn)行了相關(guān)研究：蘇建濱[1]探討了溫度對結(jié)構(gòu)裂縫的影響，并提出控制措施；鄭鎮(zhèn)平[2]利用有限元軟件，研究了某地區(qū)橋梁承臺溫度變化及應(yīng)力變化規(guī)律；柯正雄[3]以某地區(qū)大橋混凝土承臺為研究對象，分析其溫控系統(tǒng)的原因效果，研究承臺溫度控制措施；耿鳴山等[4]利用有限元軟件，分析了某地區(qū)橋梁承臺溫度應(yīng)力場變化規(guī)律，結(jié)果表明冷卻水管的布置能減少混凝土裂縫的產(chǎn)生；包天鵬[5]對比分析了水泥與大體積混凝土水化熱試驗結(jié)果，結(jié)果表明冷卻水管的布置能有效降低大體積混凝土內(nèi)外溫差。 在前人的研究基礎(chǔ)上，本研究利用CFD技術(shù)，對寧海新橋承臺進(jìn)行水化熱分析和絕熱溫升計算，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 工程概況

省道201 線寧海新橋工程項目是福建省交通運輸廳“五大戰(zhàn)役”的攻堅項目，也是莆田市普通公路首個標(biāo)準(zhǔn)化施工的示范點。新橋橋址位于寧海舊橋下游110 m 處，北接省道201 線涵江段，南接規(guī)劃中的壺公大道互通樞紐。 新橋長1164 m，橋面寬度41 m。

橋梁跨徑1164 m， 橋面寬度41 m， 雙向八車道，橋梁采用預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。主橋墩10#～14#墩共計10 個承臺，15# 墩左幅1 個承臺；其中10#、15# 墩承臺采用鋼管樁圍堰施工，11#～13# 墩采用鋼吊箱施工，14#墩采用鋼套箱施工。主橋墩承臺采用水中高樁承臺，10# 墩承臺頂標(biāo)高2.5 m，底標(biāo)高-1.0 m；結(jié)構(gòu)尺寸為：長23.35 m、寬18.4 m、高6 m，單個承臺C30 砼數(shù)量為2577.84 m3。

2 大體積混凝土絕熱溫升的CFD 分析

混凝土澆筑后的溫度場主要受水化熱和溫度的影響。 由于內(nèi)外溫差影響，承臺在施工過程中易產(chǎn)生裂縫，從而影響橋梁的穩(wěn)定性。 因此，本研究利用CFD 技術(shù)，對寧海新橋承臺進(jìn)行水化熱分析和絕熱溫升計算。 通過上述分析，得出自然冷卻條件下，寧海新橋承臺溫度場的變化情況，為寧海新橋承臺施工提供理論依據(jù)。

2.1 條件設(shè)置

2.1.1 計算模型

寧海新橋主橋墩承臺采用水中高樁承臺，承臺為大體積混凝土，單個承臺混凝土數(shù)量2577.84 m3。為避免混凝土澆筑過程中， 其內(nèi)部溫度發(fā)生變化，而產(chǎn)生應(yīng)力變化。 在結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置冷卻水管，降低混凝土內(nèi)外溫差。 選取10# 承臺為研究對象，選取其1/4 作為計算模型， 模型尺寸為23.35 m×18.4 m×6 m，如圖1 所示。

圖1 計算模型

2.1.2 溫度設(shè)置

承臺的自然冷卻情況主要與大氣溫度有關(guān)，對本項目所在地溫度情況進(jìn)行統(tǒng)計， 大氣干球溫度逐時分布圖如圖2 所示。 由圖2 可知，該地區(qū)逐時溫度平均值為28℃， 以此溫度為最不利工況進(jìn)行分析。

圖2 大氣干球溫度逐時分布圖

2.1.3 物性參數(shù)

混凝土承臺物性參數(shù)如表1 所示，分別在承臺邊界、中心、頂部設(shè)置4 個監(jiān)測點，監(jiān)測其溫度場變化。

表1 混凝土承臺物性參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)分析

圖3 為監(jiān)測點溫度變化圖。 由圖3 可知，隨時間的增大，各監(jiān)測點的溫度逐漸增大，最后逐漸趨于平穩(wěn)。監(jiān)測溫度與時間呈正相關(guān)關(guān)系。中心監(jiān)測點的監(jiān)測溫度最高，其次為邊界監(jiān)測點，頂部監(jiān)測點最小。邊界監(jiān)測點1 和邊界監(jiān)測點2 變化趨勢較為相近。中心監(jiān)測點與頂部監(jiān)測點最大溫度差距為36.7℃。

圖3 各監(jiān)測點溫度變化曲線

根據(jù)上述溫度曲線（圖3），得出xz 和x 方向監(jiān)測面溫度（圖4）。由圖4 可知，各監(jiān)測面監(jiān)測溫度與時間呈正相關(guān)關(guān)系。 隨時間的增大，監(jiān)控溫度逐漸增大，xz 監(jiān)測面監(jiān)控溫度大于x 向外側(cè)面監(jiān)測溫度，兩者最大溫差為10.5℃。 由于承臺側(cè)面存在圍堰結(jié)構(gòu)，所以xz 監(jiān)測面溫度與x 向外側(cè)面監(jiān)測溫度溫差較小，不易產(chǎn)生裂縫。 說明圍堰結(jié)構(gòu)對承臺安全性有一定的保護(hù)作用。

圖4 xz 監(jiān)測面和x 方向平均溫度變化曲線

3 通水冷卻方案分析

3.1 冷卻水管長度對溫度變化的影響分析

在大體積混凝土內(nèi)部設(shè)置冷卻水管，根據(jù)工程實際尺寸平行布置。 由于冷卻水管內(nèi)的水不斷流動，所以管內(nèi)水溫變化較小。 當(dāng)大體積混凝土溫度變化較小時，其溫度場變化較小。 所以可將冷卻水管作為孤立的傳熱系統(tǒng)進(jìn)行分析。

假設(shè)大體積混凝土界面為正方形，外表面為絕熱條件。 冷卻水管在期間平型布置如圖5 所示，模型相關(guān)參數(shù)如下：混凝土塊長100～200 m、冷卻水管直徑為25～80 mm、 冷卻水管內(nèi)水流速為0.5～2.0 m/s、冷卻水溫度25℃、水管進(jìn)出口端長5 m。 分別設(shè)置冷卻水管長度為100 m、150 m 和200 m，分析長度對承臺內(nèi)部溫度變化的影響。 冷卻水管長度對出水溫度變化的影響如圖6 所示。

圖5 平行型管道布置方案

圖6 冷卻水管長度對出水溫度變化的影響

由圖6 可知， 當(dāng)冷卻水管長度為200 m 時，溫度較高；其次為長度為150 m 時；當(dāng)長度為100 m時，溫度最小；不同長度最大溫度差距約為0.5℃左右。 當(dāng)冷卻水管道長度較長時，冷卻水在大體積混凝土內(nèi)停留時間較長，與大體積混凝土發(fā)生的熱交換較大，所以當(dāng)冷卻水管長度為200 m 時，出水溫度最大。 當(dāng)水在冷卻水管內(nèi)流動時，其熱量會發(fā)生損失，所以出水溫度隨時間變化趨勢為先增大后減小。 而冷卻水管道長度越長，發(fā)生的熱量損失越大，所以當(dāng)冷卻水管道長度為200 m 時，出水溫度降幅最大；當(dāng)冷卻水管道長度為100 m 時，出水溫度降幅最小。 除熱量損失外，冷卻水管道長度還會導(dǎo)致阻力損失。 當(dāng)冷卻水管道長度為100 m 時，阻力損失為43.4 kPa； 長度為150 m， 其阻力損失為65.1 kPa；長度為200 m，其阻力損失為86.8 kPa。冷卻水管道長度與阻力損失呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)冷卻水管道長度越大時，其阻力損失越大。 綜上所述，應(yīng)盡量減少冷卻水管道長度。

3.2 冷卻水管布置方案分析

根據(jù)上述分析可知，冷卻水管長度會導(dǎo)致阻力損失和熱量損失。 合理研究冷卻水布置方案，會影響其水載熱能力。 本項目冷卻水管采取水平布置方案，水平間距為93 cm，豎向間距為91 cm。 水流速度與冷卻水溫度與前文一致。

本研究承臺冷卻水管布置如圖7 所示，采用直徑為48 mm 鋼管，冷卻水管平行布置，水平間距為93 cm，豎向間距為91 cm。 水平方向冷卻水管6 m，總長度146 m。 豎直方向?qū)泳酁?5 cm，共7 層。 設(shè)置水泵流量為150 m3/h。 豎直和水平方向冷卻水管全長共計12264 m。當(dāng)每層混凝土澆筑完成時，即可使冷卻水管通水，通過進(jìn)水溫度調(diào)節(jié)大體積混凝土內(nèi)部溫度。 待大體積混凝土澆筑并養(yǎng)護(hù)完成后，排出冷卻水管內(nèi)的液體。 待管內(nèi)水完全排出后，在冷卻水管內(nèi)注入泥漿，以填充冷卻水管。

圖7 冷卻水管平行型布置示意圖

4 智能溫度控制實踐

在承臺內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點，以研究結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化規(guī)律。 每層布置12 個溫度監(jiān)測點，共計6 層。 每層分別間隔0.8 m、1.4 m、0.9 m、0.7 m 和0.8 m。以PLC 為電力系統(tǒng)控制器，以Pt100 為溫度采集傳感器，如圖8 所示。 每3 h 測量1 次溫度，其溫度變化曲線如圖9 所示。

圖8 溫度監(jiān)測平面布置示意圖

圖9 不同監(jiān)測點溫度變化曲線

由圖9 可知，（1）當(dāng)開始監(jiān)測時，冷卻水溫度為25℃，外部溫度為27℃，結(jié)構(gòu)溫度為28℃。混凝土澆筑前期，其溫度呈上升趨勢。 這是由于在澆筑的前期，混凝土水化熱帶來的熱量較高，而冷卻水管內(nèi)與混凝土的熱交換難以抵消這些熱量。 在澆筑完成36 h 后，混凝土溫度開始下降。 這是由于混凝土內(nèi)部逐漸趨于穩(wěn)定，冷卻水管降溫效果顯著。 （2）當(dāng)處于相同監(jiān)測層內(nèi)時，不同監(jiān)測點的溫度變化趨勢基本相同。 中心監(jiān)測點的溫度變化增量大于外表面監(jiān)測點。 由于外層與空氣接觸，其散熱良好，所以其溫度變化速率小于中心監(jiān)測點。 當(dāng)時間為96～240 h時，溫度變化速率較快；當(dāng)時間大于240 h 時，溫度變化速率逐漸減小，變化趨勢趨于平穩(wěn)。 （3）大部分區(qū)域最高溫度為55℃左右。 在第二層時，中心區(qū)域最大溫度為36℃左右，而外部最大溫度為55℃左右，大于中心區(qū)域最大溫度。 這是由于智能溫度控制系統(tǒng)的進(jìn)水口位于混凝土中部，冷卻水首先經(jīng)過混凝土中部區(qū)域，對其進(jìn)行降溫。 結(jié)構(gòu)表面最高溫度為45℃左右，最大溫差為15℃，與芯部溫差為10℃左右。 由于混凝土表面位于承臺四周，散熱充分，而混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較低，所以其最大溫差較大。 由于混凝土結(jié)構(gòu)外部存在圍堰結(jié)構(gòu)，對其有良好的保溫效果，所以混凝土外部與混凝土芯部溫差較小。 （4）頂部的監(jiān)測層溫度較高，這是由于頂部受陽光照射作用，導(dǎo)致其溫度較高。 加之智能溫度控制的排水口位于承臺頂部，此時的冷卻水溫度較高，導(dǎo)致頂部檢測出溫度較高。 利用智能溫度控制對結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，可有效保持其溫度的穩(wěn)定性，減少裂縫，以保證結(jié)構(gòu)的安全性。

5 結(jié)論

本文基于CFD 分析技術(shù)，對大體積承臺混凝土內(nèi)溫度變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)論如下：（1）各監(jiān)測面監(jiān)測溫度與時間呈正相關(guān)關(guān)系。 隨時間的增大，監(jiān)控溫度逐漸增大，xz 監(jiān)測面監(jiān)控溫度大于x 向外側(cè)面監(jiān)測溫度，兩者最大溫差為10.5℃。 由于承臺側(cè)面存在圍堰結(jié)構(gòu)，所以xz 監(jiān)測面溫度與x 向外側(cè)面監(jiān)測溫度溫差較小，不易產(chǎn)生裂縫。 說明圍堰結(jié)構(gòu)對承臺安全性有一定的保護(hù)作用。 （2）隨時間的增大，出水溫度呈先增大在減小的趨勢。 當(dāng)冷卻水管道長度較長時，冷卻水在大體積混凝土內(nèi)停留時間較長，與大體積混凝土發(fā)生的熱交換較大，所以當(dāng)冷卻水管長度為200 m 時，出水溫度最大。 當(dāng)水在冷卻水管內(nèi)流動時，其熱量會發(fā)生損失，所以出水溫度隨時間變化趨勢為先增大后減小除熱量損失外，冷卻水管道長度還會導(dǎo)致阻力損失。 冷卻水管道長度與阻力損失呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)冷卻水管道長度越大時，其阻力損失越大。 應(yīng)盡量減少冷卻水管道長度。 （3）混凝土澆筑前期，其溫度呈上升趨勢。這是由于在澆筑的前期，混凝土水化熱帶來的熱量較高，而冷卻水管內(nèi)與混凝土的熱交換難以抵消這些熱量。在澆筑完成36 h 后，混凝土溫度開始下降。這是由于混凝土內(nèi)部逐漸趨于穩(wěn)定，冷卻水管降溫效果顯著。 （4）當(dāng)處于相同監(jiān)測層內(nèi)時，不同監(jiān)測點的溫度變化趨勢基本相同。 由于外層與空氣接觸，其散熱良好，所以其溫度變化速率小于中心監(jiān)測點。當(dāng)時間為96～240 h 時，溫度變化速率較快，當(dāng)時間大于240 h 時，溫度變化速率逐漸減小，變化趨勢趨于平穩(wěn)。