双循环管冷大体积混凝土水化热分析

肖峰 宁晓骏 杨东 舒永涛

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

在浇筑混凝土完成的养护期间，需要控制和降低混凝土水化热，其温控措施有很多种，如掺加外加剂、降低水灰比以及采用低水化热的水泥等，还可以通过布置管冷，在冷却管内通入冷却水降低混凝土的水化热温度，进而有效降低混凝土的内外温差，减少混凝土裂缝的出现[1-2]。笔者以东河大桥为例，利用有限元软件，建立实体模型，结合施工边界条件和水流流通情况，分别选用了矩形布置管冷和蛇形布置管冷，进行全程水化热温度及应力场仿真分析，以分析双循环效果最佳的管冷布置方案和最合理的铅直距离。

1 工程概况

东河大桥位于四川省境内，为预应力混凝土连续梁桥，桥面宽度为19 m，桥梁全长为428 m，承台采用c30混凝土。桥梁所在地区地震烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g。

2 水化热分析原理

在混凝土浇筑完成后，由于其内部温度上升较快、表面温度上升较慢，导致内部产生较大压应力、外部产生较大拉应力。混凝土水化热分析主要有两个过程，一是热传导分析，二是热应力分析[3]。混凝土水化热需要根据热传导方程、初始条件及边界条件确定，其等效热传导方程为

(1)

(2)

式中，α为导温系数；θ0为最终绝热温升；θ1为外表绝热下水管冷却和绝热温升下的温升；ω为假设无热源状态下冷却水温度与混凝土温度不平衡项形成的冷却系数；φ为考虑冷却水对水化热削减后水化热变化系数；τ为混凝土龄期；t0为混凝土浇筑温度；tw为冷却水进水口温度[4]。

3 有限元模型

3.1 边界条件及计算参数的确定

在混凝土的温度场分析中，一般有4类边界条件，由于混凝土浇筑属于空气对流边界，因此本模型属于第3类边界条件，即

(3)

式中，β为表面放热系数；t为混凝土表面温度；ta为周围介质的温度；n为计算板面的外法线方向；λ为导热系数[5]。

计算参数如下：承台比热容为0.85 kJ/(kg·℃)，热传导率为10.5 kJ/(m·h·℃)；地基的比热容为0.5 kJ/(kg·℃)，热传导率为1.9 kJ/(m·h·℃)；初始温度和环境温度均为19 ℃，通入冷却水的水温为15 ℃，冷却水对流系数为300 kJ/(m·h·℃)。

3.2 管冷埋设形式

大体积混凝土内部冷却水管选用管径为27 mm的标准铸铁水管。在理论上，冷却水管在铅直方向上可分别按矩形、蛇形、梅花形布置，但考虑到梅花形布置在施工过程中难以控制，因此在实际工程中通常采用矩形或蛇形布置。由于实际工程中冷却水管进、出水口通常是固定的，所以施工过程中混凝土冷却水管普遍共用1根引水管道，如图1所示。

(a)矩形双循环 (b) 蛇形双循环图1 冷却水管的埋设形式

3.3 计算模型

采用有限元软件Midas/Gen，建立长、宽、高分别为24、16、5 m的混凝土承台空间模型，为便于查看内部温度分布及应力发生状况，取整体模型的1/4进行计算，考虑到地基对于混凝土水化热的吸收，建立了足够大的地基模型，长、宽、高分别为48、28、3 m，对浇筑混凝土后1 000 h的水化热进行分析。管冷作用于前100 h ，计算模型如图2所示。

图2 有限元模型

4 计算结果分析

4.1 温度场的计算结果

该模型的分析时间分别取10、15、25、30、50、75、100、130、170、250、360、490、590、700、900、1 000 h，最大绝热温升为68 ℃，冷却水初始温度为15 ℃，计算承台在1 000 h 内的温度场，记录承台和地基的温度变化情况[6]。

在仓面采用2种以双循环方式进行通水冷却的水管，布置方案分别为在铅直距离2 m处布置蛇形和矩形管冷、在铅直距离2.5 m处布置蛇形和矩形管冷，具体模型分别编号为1#～4#。由于在350 h后，混凝土温度与地基温度基本一致，所以笔者主要展示了0～350 h的温度历程曲线，选取了具有代表性的节点N3和N524进行混凝土与地基的温度变化分析[7]，如图3所示。

(a) 1#模型(2 m蛇形)

可以看出，在0～25 h，温度开始集中上升，并在25 h时达到最高值；随后在25～90 h，温度开始集中下降，其中1#、2#模型的最高温度分别为31.36、31.96 ℃;在95 h时,温度与环境温度基本一致,3#、4#号模型的最高温度分别为32.74、32.85 ℃;在95 h后,温度与环境温度基本一致。由此可见，在2种铅直距离中，2 m为最佳位置，采用蛇形管冷布置的温度峰值普遍较矩形管冷布置的低。

4.2 应力场的计算结果

本模型产生温度应力的主要原因是浇注混凝土后截面的温度差引起的内部约束[8]，因此在研究应力场时，主要采用N2426、N290、N3、N316等具有代表性的节点进行分析，如图4所示。

(a) 1#模型(2 m蛇形)

可以看出，1#～4#模型均在0～100 h发生应力反转，由压应力转变为拉应力；其中在0～30 h压应力普遍急速上升，在30～100 h压应力急速下降；在反转过程中，1#模型压应力幅值最小，为292.975 kN/m2，4#模型压应力幅值最大，为403.859 kN/m2；1#～4#模型从浇筑开始到浇筑后1 000 h内，应力都超过其最大允许应力，所以都不会产生混凝土裂缝。由此可见，1#模型在应力场方面具有显著优势。

5 结论

通过有限元软件对2种双循环管冷布置方式以及2种铅直距离组合建模，进行混凝土与地基的水化热分析，得出以下结论：

(1)无论从温度场角度，还是从应力场角度，蛇形双循环管冷布置在温控方面的能力均优于矩形双循环管冷布置，在降低水化热方面的能力更为突出。

(2)在仓面布置管冷时的位置尤为重要，管冷的位置对应力的影响很大，合理的布置对大体积混凝土温控防裂更为有利。在本模型中，距离地基2 m位置处为布置仓面管冷的最佳位置。