基于熱-力耦合大體積混凝土水化熱控制技術(shù)

陳 楊

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088)

澆筑混凝土?xí)r，水泥水化過程中產(chǎn)生大量熱量會(huì)使混凝土的溫度升高，雖然隨時(shí)間推移混凝土的溫度會(huì)降低，但是各部分的溫度下降不一致，會(huì)形成溫差，從而使混凝土的產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力過大，將會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂，影響結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性。文獻(xiàn)[1-2]混基于有限元方法,提出比較完善的混凝土水化熱計(jì)算理論。文獻(xiàn)[3]提出論證新型環(huán)形的冷卻水管可以更加有效的降低混凝土中部溫度。文獻(xiàn)[4-5]熱溫升進(jìn)行研究，提出計(jì)算混凝土絕熱溫升的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｎ墨I(xiàn)[6-7]利用有限元方法，研究了混凝土水化熱計(jì)算分析且對(duì)理論計(jì)算方式進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[9-11]以大體積混凝土為例，利用有限元數(shù)值分析，結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果吻合性好。文獻(xiàn)[12-14]依托實(shí)際工程，實(shí)測混凝土水化熱情況與理論結(jié)果比較。同時(shí)提出降低水化熱的措施。本文對(duì)橋墩承臺(tái)施工期間的水化熱溫度進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于數(shù)值分析模型，對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。利用有限元分析技術(shù)，研究在改變冷卻管的間距、層數(shù)、管徑、進(jìn)水溫度和流量等參數(shù)對(duì)大體積混凝土承臺(tái)水化熱的影響。

1 有限元模型

1.1 工程概況

橋梁全長518.6 m，寬20.5 m。選取承臺(tái)混凝土水化熱進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。冷卻水管采用壁厚2.5 mm、直徑φ32 mm的圓鋼管。冷卻水管在豎向?yàn)镃1～C5共5層，間距大致為1 m。承臺(tái)冷卻管的具體布置如圖1所示。

圖1 承臺(tái)冷卻管布置(單位:cm)

1.2 有限元模型

通過MidasFEA建立有限元模型，數(shù)值模擬計(jì)算主墩承臺(tái)澆筑、養(yǎng)護(hù)期間的溫度變化特征。數(shù)值分析模型一共有102 496個(gè)節(jié)點(diǎn)和23 860單元。模型示意如圖2所示，豎向分布為5 m高承臺(tái)、1 m高C30混凝土墊層、2 m沙土基礎(chǔ)。

圖2 有限元模型

2 結(jié)果分析

2.1 實(shí)測值與有限元結(jié)果分析

由于大體積混凝土澆筑所需時(shí)間較長，澆筑過程中已經(jīng)有水化熱溫升存在，但受到環(huán)境施工等的影響，溫升過程不穩(wěn)定。因此，將澆筑完成3 h時(shí)刻作為實(shí)測溫度數(shù)據(jù)擬合起點(diǎn)。選取實(shí)測數(shù)據(jù)16個(gè)點(diǎn)，與相對(duì)應(yīng)有限元模型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。具體各節(jié)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 16個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)測值與理論值對(duì)比

通過16個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)測值與理論值的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然實(shí)測值圍繞理論值變化，但是變化趨勢卻是基本一致的。有限元模型的混凝土水化熱與實(shí)測值有重合的較為良好。通過實(shí)測值和理論值比較發(fā)現(xiàn)混凝土水化熱大概40～60 h快速升溫達(dá)到峰值溫度。

2.2 改變參數(shù)有限元結(jié)果分析

基于已有的有限元模型的基礎(chǔ)上，從改變冷卻管的間距、流量、溫度、層數(shù)、管徑等方面，分析相應(yīng)參數(shù)變化對(duì)混凝土水化熱的影響。選取6個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)比在不同情況下的溫度變化。6個(gè)節(jié)點(diǎn)分布具體如圖4所示。

圖4 6個(gè)節(jié)點(diǎn)具體分布

2.2.1 改變冷卻管的間距

保證其他參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，分析冷卻管的間距為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m時(shí)節(jié)點(diǎn)1～6的溫度變化的規(guī)律。圖5為各節(jié)點(diǎn)溫度場的變化規(guī)律。

圖5 12個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化

由圖5看出，改變冷卻管的間距可以明顯使各節(jié)點(diǎn)的溫度冷卻速度加快，說明冷卻管間距的減少可以加強(qiáng)降溫作用。特別是1 m改變0.5 m時(shí)，冷卻效果非常明顯，最高溫度大約下降了6 ℃左右，溫度曲線達(dá)到最高溫度的下降速度更加快速。當(dāng)節(jié)點(diǎn)1、2、5、6在間距為1.5 m的降溫效果不如間距為2 m時(shí)，經(jīng)過察看模型發(fā)現(xiàn)，間距為2 m其節(jié)點(diǎn)離冷卻管較近，從而對(duì)其降溫效果產(chǎn)生了一定影響。隨著間距的減少，冷卻效果有明顯的提高，但是冷卻管用材料明顯增多，當(dāng)間距過小，可能使冷卻管的布置困難。因此布置冷卻管時(shí)不宜采用特別小的間距。

2.2.2 改變冷卻管的層數(shù)

保證其他參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，分析冷卻管層數(shù)為0、1、3、5層時(shí)節(jié)點(diǎn)1～6的溫度變化的規(guī)律。圖6為各節(jié)點(diǎn)溫度場的變化規(guī)律。

由圖6可以看出，增加冷卻管的層數(shù)時(shí)，可以使各節(jié)點(diǎn)的溫度冷卻速度加快。特別時(shí)無冷卻管與原模型五層的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其降溫效果尤其明顯，由此可鑒布置冷卻管的重要性。節(jié)點(diǎn)2有無冷卻管與原模型對(duì)比，最高溫度由69.3 ℃降低至59 ℃，高溫的持續(xù)時(shí)間明顯降低，對(duì)防止混凝土早期開裂有明顯的效果。其他的節(jié)點(diǎn)也有此規(guī)律。

圖6 12個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化

2.2.3 改變冷卻管的管徑

保證其他參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，分析冷卻管管徑為16 mm、32 mm、48 mm、64 mm時(shí)節(jié)點(diǎn)1～6的溫度變化的規(guī)律。圖7為各節(jié)點(diǎn)溫度場的變化規(guī)律，可以看出，增加冷卻管的管徑時(shí)，可以使各節(jié)點(diǎn)的溫度冷卻速度加快，各節(jié)點(diǎn)的最高溫度大概降低3 ℃，最高降低4.5 ℃，且降溫速度明顯加快。能達(dá)到相應(yīng)的降溫效果。但隨著管徑的增大，降溫效果增加，同時(shí)也會(huì)使施工和布置出現(xiàn)困難。因此工程采用適合的管徑，達(dá)到理想的降溫效果來防止混凝土的早期開裂。

圖7 12個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化

2.2.4 改變冷卻管進(jìn)水溫度

保證其他參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，分析冷卻管進(jìn)水溫度為1 ℃、5 ℃、9 ℃、13 ℃時(shí)節(jié)點(diǎn)1～6的溫度變化的規(guī)律。圖8為各節(jié)點(diǎn)溫度場的變化規(guī)律，可以看出，增加冷卻管進(jìn)水溫度時(shí)，會(huì)使各節(jié)點(diǎn)的溫度冷卻速度降低，但是降溫效果并不理想。為了防止混凝土水化熱引起的裂縫，冷卻水的溫度越低，冷卻效果越好，但是過低的溫度會(huì)使冷卻水的制備相應(yīng)增加施工難度和經(jīng)費(fèi)方面，而且過大的溫差會(huì)使水管周圍的混凝土產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，從而引起開裂。因此冷卻水的溫度也不能太低。

圖8 12個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化

2.2.5 改變冷卻管流量

保證其他參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，分析冷卻管流量為1 m3/h、3 m3/h、5 m3/h、7 m3/h時(shí)節(jié)點(diǎn)1～6的溫度變化的規(guī)律。圖9為各節(jié)點(diǎn)溫度場的變化規(guī)律，可以看出，增加冷卻管進(jìn)水流量時(shí)，也可以使各節(jié)點(diǎn)的溫度冷卻速度降低，但是效果不如改變其他參數(shù)明顯。根據(jù)相關(guān)公式，冷卻水流量增加一倍時(shí)，冷卻時(shí)間減少18.6%，因此改變冷卻管的流量來達(dá)到降溫效果并不會(huì)很明顯。因此工程中不要通過增加流量來達(dá)到降低溫度的作用。

圖9 12個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化

3 結(jié)論

(1)有限元模型的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)比，變化趨勢基本相同，表明有限元模型效果良好。

(2)當(dāng)冷卻管的間距1 m改變0.5 m時(shí)，冷卻效果非常明顯，最高溫度大約下降了6 ℃左右。無冷卻管與有冷卻管對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其降溫效果尤其明顯，最高溫度由69.3 ℃降低至59 ℃，且高溫的持續(xù)時(shí)間明顯降低。增大冷卻管的直徑16 mm到64 mm時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的最高溫度大概降低3 ℃，最高降低4.5 ℃，且降溫速度明顯加快。通過改變、層數(shù)、管徑等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)增大間距、層數(shù)和管徑能達(dá)到較好的降溫效果，從而可以防止早期混凝土開裂。

(3)通過改變冷卻管的進(jìn)水溫度和流量，亦可達(dá)到降低混凝土溫升的效果。但是由于降溫效果不理想，且施工難度和經(jīng)費(fèi)方面的要求，降低進(jìn)水溫度在工程不易實(shí)現(xiàn)。增加冷卻管的流量達(dá)不到良好的降溫作用，工程亦不會(huì)采用增大流量的措施來避免混凝土早期開裂。