大體積混凝土水管冷卻效果影響因素分析

劉宸巖

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018）

大體積混凝土水管冷卻效果影響因素分析

劉宸巖

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018）

為有效發(fā)揮大體積混凝土結(jié)構(gòu)中冷卻水管的控溫作用，利用有限元軟件 MIDAS/CIVIL，對(duì)埋設(shè)冷卻水管的大體積混凝土的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析水管的管徑、水管間距、管材和冷卻水溫等因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響，對(duì)大體積混凝土水管冷卻效果影響因素進(jìn)行分析。

大體積混凝土 水管冷卻 溫度場(chǎng) 水化熱

為有效地發(fā)揮冷卻水管在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中的作用，需計(jì)算冷卻水管的各項(xiàng)參數(shù)，以確定更合理的布置方案。由于大體積混凝土結(jié)構(gòu)中水泥水化生熱率、熱流率 、熱邊界條件及內(nèi)部冷卻水管與混凝土的熱交換等因素都會(huì)隨時(shí)間起明顯變化，使整個(gè)混凝土體的溫度場(chǎng)變得非常復(fù)雜[1,2,3]。

初期冷卻溫控的最終目的就是通過(guò)溫控措施降低混凝土的最高溫升，使混凝土溫度場(chǎng)更趨于均勻，以防止出現(xiàn)過(guò)大的溫度剃度導(dǎo)致溫度裂縫[4，5]。為了得出影響初期冷卻效果的主要因素，我們將對(duì)影響冷卻水管的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析。水管冷卻效果影響因素的分析主要包括水管的管徑、水管間距、管材和冷卻水溫等。

1 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

大體積混凝土水管冷卻分析是為了分析各種溫控措施對(duì)溫度場(chǎng)影響，給實(shí)際工程的仿真計(jì)算提供有益參考。計(jì)算模型是以某大體積混凝土結(jié)構(gòu)為原型，計(jì)算模型如圖1-1。

圖1 -1計(jì)算模型與坐標(biāo)系

1.2 計(jì)算參數(shù)

溫控仿真計(jì)算采用的主要參數(shù)如下:

表1 -1 混凝土與基巖熱學(xué)參數(shù)值

2 水管冷卻效果影響因素分析

2.1 冷卻水管直徑對(duì)冷卻效果的影響

冷卻水管采用聚苯乙烯塑料管，水管半徑分別采用r1 = 0.008m、水管間距采用1.5m× 1.5m，冷卻水溫 12℃，澆筑兩天后開(kāi)始通水，通水流量，冷卻時(shí)間 14天。取結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線，計(jì)算結(jié)果如下圖2-1：

圖2 -1不同管徑對(duì)冷卻效果的影響

2.2 冷卻水管間距對(duì)冷卻效果的影響

采用1.0m1.0m× 、1.0m1.5m× 、1.5m1.5m× 、1.0m 3.0m× 間距的冷卻水管排列方式，冷卻水溫12℃，通水流量，冷卻時(shí)間14天。取結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線，計(jì)算結(jié)果如下圖2-2：

圖2 -2不同水管間距對(duì)冷卻效果的影響

2.3 冷卻水管材料特性對(duì)冷卻效果的影響

冷卻水管材料分別選用鐵管和和高聚乙烯泡沫管，兩者的導(dǎo)熱系數(shù)分別為，水管間距采用1.5m × 1.5m，冷卻水溫12℃，通水流量，冷卻時(shí)間14天。取結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下圖2-3：

圖2 -3不同管材對(duì)冷卻效果的影響

2.4 冷卻水溫對(duì)冷卻效果的影響

結(jié)構(gòu)中水管水溫分別采用6℃、9℃、12℃、15℃，水管間距1.5m × 1.5m，澆筑兩天后開(kāi)始通水，通水流量，冷卻時(shí)間14天。取結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線，計(jì)算結(jié)果如下圖2-4：

圖2 -4不同冷卻水溫對(duì)冷卻效果的影響

3 結(jié)論

通過(guò)以上計(jì)算分析可以得出：通過(guò)增加管徑來(lái)加大冷卻速度或降低冷卻幅度效果不明顯；水管間距對(duì)冷卻效果比較明顯，但管距減小的同時(shí)也使管材耗量相應(yīng)增加；管材的不同也會(huì)產(chǎn)生不同的冷卻效果，但因考慮成本和鋪設(shè)難度；冷卻水管通水水溫對(duì)結(jié)構(gòu)施工期溫度場(chǎng)影響較大，特別是溫度較低的冷卻水，其降溫效果更明顯，但這樣會(huì)增大制冷的成本。由于混凝土溫度場(chǎng)是瞬態(tài)和非線性的，又受到冷卻水管和混凝土內(nèi)部的熱交換、結(jié)構(gòu)表面的散熱等因素的影響，大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)計(jì)算非常復(fù)雜和困難。本研究運(yùn)用有限元法，對(duì)埋有冷卻水管的大體積混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行三維仿真分析，為確定經(jīng)濟(jì)合理的冷卻水管布置方案提供理論參考。

[1]彭立海.大體積混凝土溫控與防裂[M].北京：黃河水利出版社，2005

[2]王潤(rùn)富，陳國(guó)榮．溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力[M].北京：科學(xué)出版社，2005

[3]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1999

[4]趙立鵬，王新剛.埋有冷卻水管的大體積混凝土溫度場(chǎng)有限元分析[J].港工技術(shù)，2011，48（5）：36-40

[5]洪雷．混凝土性能及新型混凝土技術(shù)［M］．大連：大連理工大學(xué)出版社，2005

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1007-6344（2015）02-0126-01