大體積混凝土溫度效應(yīng)控制中的冷卻管優(yōu)化研究

吳冬蘭

摘要：大體積混凝土澆筑過程中溫度效應(yīng)控制不當(dāng)往往容易產(chǎn)生裂縫，冷卻管作為主要的溫度效應(yīng)控制措施，其布置形式對溫度效應(yīng)控制具有決定作用。文章采用FEA有限元軟件對一座矮塔斜拉橋主墩承臺大體積混凝土水化熱進(jìn)行了有限元分析，以間距中心作為控制點(diǎn)，運(yùn)用窮舉法優(yōu)化了冷卻管的橫向間距和層間距布置形式，冷卻管橫向間距和層間距最優(yōu)分別為1.2m和1.3m，冷卻管用量減少了7.38%，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土;溫度效應(yīng);冷卻管;窮舉法

0 引言

在大體積混凝土澆筑過程中布置冷卻管是主要的溫度效應(yīng)控制措施，而冷卻管橫向間距和層間距對水化熱控制具有決定作用。20世紀(jì)中期劉寧等人對冷卻管與混凝土之間的熱量交換平衡原理進(jìn)行了研究，“排水子結(jié)構(gòu)”理論得到了進(jìn)一步優(yōu)化[1]。此后，國內(nèi)外學(xué)者在大體積混凝土內(nèi)外溫度差與裂縫控制方面的研究較多，但主要集中在養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境溫度、澆筑溫度、澆筑方法和混凝土配合比方面，冷卻管降溫措施雖然常見，卻少有研究[2-5]。在運(yùn)用有限元計(jì)算大體積混凝土溫度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用冷卻管控制大體積混凝土的溫度效應(yīng)成為了目前工程中普遍認(rèn)可的方式。本文通過對一座矮塔斜拉橋主墩承臺大體積混凝土水化熱的有限元分析，優(yōu)化了冷卻管的橫向間距和層間距布置形式，承臺混凝土連續(xù)澆筑不分層得到實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化后的冷卻管布置形式使得工程經(jīng)濟(jì)性提高，對規(guī)模相似的大體積混凝土澆筑具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程背景

某雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，如圖1和圖2所示，主墩采用整體式矩形承臺基礎(chǔ)，橫橋向長32.342m，順橋向?qū)?9.0m，承臺周邊轉(zhuǎn)角為圓倒角。承臺高6.0m，混凝土強(qiáng)度等級為C40，總澆筑方量為3513m3，采用鋼模立模一次性澆筑，混凝土澆筑體積大，需要在澆筑過程中采取有效的溫控措施。

2 大體積混凝土溫度場有限元分析

2.1 物理熱學(xué)特性參數(shù)取值

本項(xiàng)目承臺混凝土強(qiáng)度等級為C40，水泥采用P·Ⅱ硅酸鹽水泥，在拌和過程中添加粉煤灰及高效減水劑以盡可能地從原材料方面降低大體積混凝土的溫度效應(yīng)?？紤]到工程建設(shè)過程中并未對混凝土物理熱學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)，相關(guān)參數(shù)取值參考了《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》（GB/T51028-2015）及相關(guān)文獻(xiàn)[6-8]，除混凝土強(qiáng)度等級及水泥品種外，其他物理熱學(xué)特性參數(shù)見表1。

2.2 冷卻管優(yōu)化方法

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定[6]，本橋承臺高6m，應(yīng)采用多層多回路冷卻管。冷卻管采用鋼管材料時，管橫向間距應(yīng)在1.0～2.0m，層間距宜為1.5m（見圖3和圖4）。不同的大體積混凝土，熱性能參數(shù)不盡相同，需要因地制宜地對項(xiàng)目進(jìn)行冷卻管的橫向間距及層間距設(shè)計(jì)。大體積混凝土冷卻管布置間距參考范圍小，采用窮舉法簡單直接解決本項(xiàng)目冷卻管橫向間距及層間距優(yōu)化問題，優(yōu)化計(jì)算內(nèi)容見表2。

2.3 有限元模型

本項(xiàng)目承臺為32.342m×19.0m×6.0m不規(guī)則體，考慮到冷卻管布置并非對稱形式，采用FEA有限元分析軟件建立整個承臺實(shí)體模型，如下頁圖5所示。離散單元采用6面體實(shí)體單元，承臺劃分為127509個節(jié)點(diǎn)，單元83243個。橋梁承臺采用鋼模板立模，6m高承臺一次性澆筑。有限元模型的邊界條件如下：

（1）承臺澆筑完成后頂面與空氣直接接觸，項(xiàng)目承臺在4月份澆筑，根據(jù)橋址所在區(qū)域往年平均氣溫統(tǒng)計(jì)結(jié)果，混凝土表面與大氣接觸處溫度取值與統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致，均為25℃，且混凝土表面熱流量函數(shù)與時間相關(guān)。

（2）承臺底面與墊層交界，不設(shè)對流邊界。

（3）承臺四周支模采用鋼模板，符合第3類邊界條件的特點(diǎn)，即-λ[SX（]t[]n[SX）]=β（t-ta），其中β為表面放熱系數(shù)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，t為混凝土外表面溫度，ta為承臺周圍介質(zhì)溫度。

3 冷卻管布置優(yōu)化結(jié)果及分析

3.1 橫向間距優(yōu)化結(jié)果及分析

假定層高為定值，在冷卻管橫向間距的優(yōu)化過程中，顯然間距越大越不利，當(dāng)計(jì)算結(jié)果滿足要求之后，不需再對后續(xù)擬定的間距進(jìn)行計(jì)算。承臺為非規(guī)則幾何體，冷卻管不能均勻滿布，典型控制點(diǎn)取冷卻管橫向間距的中點(diǎn)（見圖3）。冷卻管在不同橫向間距工況下，承臺混凝土內(nèi)部典型控制點(diǎn)溫度效應(yīng)結(jié)果見表3，無冷卻管和橫向間距優(yōu)化后（1.2m工況）承臺澆筑過程最大溫度效應(yīng)云圖見圖6和圖7。

（1）從圖6可見，不設(shè)冷卻管時承臺澆筑過程中最大溫度為70.8℃，最大拉應(yīng)力為4.83MPa，最大壓應(yīng)力為5.51MPa，拉壓應(yīng)力不滿足同齡期混凝土受力，需要布置冷卻管來控制內(nèi)部溫度及應(yīng)力。

（2）橫向間距在1.0～1.2m時，承臺典型控制點(diǎn)最大溫度為49.5℃～50.1℃，最大拉壓應(yīng)力均變化較小;橫向間距在1.3～1.5m時，承臺典型控制點(diǎn)最大溫度在53.2℃～58.5℃范圍內(nèi)，最大拉壓應(yīng)力在2.25～3.16MPa范圍內(nèi)。

（3）1.2m橫向間距時，冷卻管附近與典型控制點(diǎn)最大溫差可控制在25℃以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，可見冷卻管橫向間距優(yōu)化值為1.2m。

（4）與規(guī)范規(guī)定的冷卻管橫向間距1m比較，冷卻管用量減少了7.38%。

3.2 層間距優(yōu)化結(jié)果及分析

以3.1節(jié)優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ)，假定冷卻管橫向間距1.2m為定值，以規(guī)范推薦值1.5m進(jìn)行計(jì)算，溫度效果不佳時，按0.1m間隔縮短冷卻管層間距進(jìn)行計(jì)算。通過有限元軟件窮舉法計(jì)算表2中層間距的優(yōu)化內(nèi)容，典型控制點(diǎn)取冷卻管各層間距的中點(diǎn)（見圖4），冷卻管在不同層間距工況下，承臺混凝土內(nèi)部典型控制點(diǎn)溫度效應(yīng)結(jié)果見表4，無冷卻管和層間距優(yōu)化后（1.3m工況）承臺澆筑過程最大溫度效應(yīng)云圖見圖8和圖9。

（1）承臺冷卻管采用1.5m層間距時，混凝土最大溫度為61.1℃，最大拉應(yīng)力為3.22MPa，混凝土溫差超過25℃，拉應(yīng)力偏大，混凝土有開裂風(fēng)險，可見1.5m層間距并非最佳值，需要根據(jù)不同工程規(guī)模及施工條件進(jìn)行冷卻管層間距優(yōu)化。

（2）層間距在1.0～1.3m時，承臺典型控制點(diǎn)最大溫度為48.6℃～50.2℃，最大拉壓應(yīng)力均變化較小;層間距在1.4～1.5m時，承臺典型控制點(diǎn)最大溫度在55.6℃～61.1℃范圍內(nèi)，最大拉壓應(yīng)力在2.56～3.22MPa范圍內(nèi)。

（3）1.3m層間距時，冷卻管附近與典型控制點(diǎn)最大溫差可控制在25℃以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，可見冷卻管層間距優(yōu)化值為1.3m。

4 結(jié)語

本文在有限元計(jì)算大體積混凝土溫度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，以間距中心作為控制點(diǎn)，優(yōu)化了冷卻管的橫向間距和層間距布置形式，得到了一些有益的結(jié)論：

（1）需要根據(jù)不同工程規(guī)模及施工條件對大體積混凝土冷卻管布置形式進(jìn)行優(yōu)化。本工程冷卻管橫向間距和層間距最優(yōu)值分別為1.2m和1.3m。

（2）通過對冷卻管橫向間距的優(yōu)化，與規(guī)范規(guī)定的冷卻管橫向最小間距1m比較，冷卻管用量減少了7.38%，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

（3）在冷卻管布置形式優(yōu)化過程中，表內(nèi)溫差一般控制在25℃以內(nèi)，以間距中心作為控制點(diǎn)可提高溫度控制的準(zhǔn)確性。

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