考虑冷却水效应的闸墩混凝土施工期温度场研究

张朋军，付有洪，李金磊

（1.中铁七局集团第三工程有限公司，西安 710032；2.华北水利水电大学，郑州 450045）

0 引言

混凝土是目前建筑行业中消耗量最大的建筑材料。在大体积混凝土浇筑早期，胶凝材料在水化反应过程中生热，由于混凝土结构体量较大，热传导系数相对较小，结构内部的热量难以散发出去，而外表面热量散发较快，从而在混凝土内外形成温度梯度。当温度梯度过大时，混凝土结构则可能产生破坏性的裂缝，因而在大体积混凝土内部埋设冷却水管，可带走混凝土内部的热量，削减水化热的峰值，是最为有效的人工冷却措施之一[1]。含冷却水管温度场的确定，是一种典型的大体积混凝土结构内部含有大量小口径流体边界条件的复杂问题[2]。由于大体积混凝土本身是一种非均质的材料，其力学行为是非线性的，所以其温度场也具有不均匀性和高度非线性[3]。本文基于大体积混凝土温度场理论[4，5]，针对采用冷却水管进行控温的闸墩，采用有限元热流耦合法模拟冷却水管的作用，对闸墩混凝土施工期三维温度场进行了仿真分析，得到混凝土内部和水管周围的温度场。同时证明，基于热流耦合方法模拟水管冷却效果，能考虑水管水温的沿程变化和水管的不同布置形式，是一种行之有效的模拟手段。

1 研究对象及水管布置

1.1 研究对象

闸墩长13.98 m，宽2 m，高10 m。闸墩坐落在混凝土底板上，底板长13.98 m，宽12 m，高5 m，先浇筑底板，在底板浇筑15 d 后，浇筑闸墩。闸墩和底板均采用C30混凝土浇筑，闸墩、底板均两个小时浇筑一层，底板一层浇筑0.5 m，闸墩一层浇筑1 m，各浇筑10层。采用内掺法掺用DF-11复合防水剂，混凝土选用配合比见表1。

表1 混凝土配合比

1.2 水管布置

闸墩底板高5 m，宽12 m，冷却水管管径3 cm。水管布置采用两种方案（见图1），方案一在距底板底部2.5 m 处，从左向右依次插入4 根冷却水管，通水时长为浇筑开始后10 d；方案二在距底板底部1.75 m、2.5 m、3.75 m处，从左向右依次每隔1.5 m插入水管，通水时长为浇筑开始后10 d。

图1 冷却水管布置图

流体单元的主节点温度，由流体单元进水口处的温度决定，水管的沿程水温变化，可通过定义水管入口节点的初始温度和按照施工顺序施加管内质量流率（见图2）。

图2 热流耦合模型

假设管中流速控制在0.61 m/s 左右（对应通水流量约为1.2 m3/h），管内质量流率为1200 kg/h。水的导热系数为2.17 kJ/（m·h ·℃），水比热c=4.2 kJ/（kg·℃），水密度ρ=1000 kg/m3，表面放热系数为150 kJ/（m2·h·℃）。

2 结果分析

2.1 方案一温度场

图3（a1）（b1）（c1）为闸墩底板距底部2.5 m 处纵剖面各天的温度分布图，图3（a2）（b2）（c2）为闸墩底板中心横剖面处各天的温度分布图。

图3 方案一温度分布图

由图3 可以看出，水管周围的混凝土温度受到了影响，并且可以清楚地看到水管周围的温度场以水管中心为原点逐步发散成环状分布，离水管越近，冷却效果越明显，说明在混凝土中布置冷却水管可以达到降低混凝土温度的效果。

方案一只在距底板2.5 m 的平面上横向间隔3 m布置水管，从图3可以看出，这种水管布置方式对整体降温效果不太好，要达到削弱混凝土的最大温度，达到整体降温的效果，需要在横向和纵向布置更多的水管。

2.2 方案二温度场

图4（a1）（b1）（c1）为闸墩底板距底部2.5 m 处纵剖面各天的温度分布图；图4（a2）（b2）（c2）为闸墩底板中心横剖面处各天的温度分布图。

图4 方案二温度分布图

由图4可以看出，通过加密冷却水管，可以使闸墩底板结构整体温度分布相对均匀，与方案一相比，降温效果良好。采用方案二加密冷却水管的方式，可避免因混凝土内部局部温差过大导致的混凝土开裂。

3 结论

本文对冷却水管的两种不同布置方案对闸墩底板整体冷却效果进行分析，结果表明采用加密冷却水管的方式，可以减小因内外温差和约束引起的温度应力，达到防止混凝土开裂的目的。