水管冷卻對大體積混凝土基礎(chǔ)溫度場影響分析

何夕平,梁修建,劉敏義

(安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥,230601)

水管冷卻對大體積混凝土基礎(chǔ)溫度場影響分析

何夕平,梁修建,劉敏義

(安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥,230601)

用MIDAS/GEN軟件建立模型,分析了水管冷卻6種工況下大體積混凝土內(nèi)部的溫度和應(yīng)力變化。結(jié)果表明:設(shè)置冷卻水管可以有效控制混凝土內(nèi)部的溫度峰值;冷卻水管的水平間距越小,水管距混凝土中部越近,管中注入水流初始溫度越低,對溫度的控制越有利。

大體積混凝土;冷卻水管;溫度峰值;有限元

隨著我國建筑業(yè)的不斷發(fā)展,高層和超高層建筑已經(jīng)越來越普遍,大體積混凝土基礎(chǔ)也愈發(fā)常見地應(yīng)用其中。大體積混凝土施工由于混凝土使用量大、體積龐大、施工條件復雜,除了要滿足常見的強度、鋼度、穩(wěn)定性外,還要特別注意其裂縫的擴散[1]。大量的資料表明,混凝土結(jié)構(gòu)早期裂縫的產(chǎn)生與溫度應(yīng)力密不可分[2]。大體積混凝土在澆筑過程當中,由于混凝土量巨大,水泥反應(yīng)產(chǎn)生大量水化熱,這些熱量使得大體積混凝土內(nèi)、外部的溫度急劇升高[3-4]。而混凝土的材料屬性使得內(nèi)部散熱極其緩慢,外部溫度降低較快,這樣形成的溫度應(yīng)力容易誘發(fā)混凝土開裂。為了防止這種情況的發(fā)生,在大量的研究基礎(chǔ)之上,人們提出了一些措施來控制大體積混凝土的溫度場,如減少水泥的使用、分層澆筑、表面保溫以及設(shè)置水管冷卻等等[5]。其中,通過在將要施工的混凝土中預埋冷卻水管,施工時注入循環(huán)水來減小因水化熱而產(chǎn)生的溫度上升是控制溫度應(yīng)力的一種重要且有效方法[6?7]。

本文通過MIDAS/GEN軟件建立模型,分析了有無冷卻水管、冷卻水管之間不同間距以及水管循環(huán)水初始注入溫度對溫度場的影響。

1 模型與工況

用MIDAS/GEN軟件的水化熱模塊建立模型,模型尺寸為:基礎(chǔ)11.2 m×8 m×1.8 m;地基17.6 m×12.8 m×2.4 m。水泥采用低熱硅酸鹽水泥,外部環(huán)境溫度為常溫20 ℃。對混凝土模型澆筑后的1 000 h進行水化熱分析,管冷作用于前100 h。考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性,取結(jié)構(gòu)的1/4進行建模,模型如圖1所示。根據(jù)有無水管冷卻以及冷卻水管之間的水平間距劃分為6種工況如表1所示。表1中:d1為冷卻水管距基礎(chǔ)底部的距離；d2為冷卻水管之間的水平間距。工況1的管冷布置如圖2和圖3所示。

表1 模型分析工況 /m

圖1 地基及基礎(chǔ)分析模型

圖2 工況1的水管在基礎(chǔ)中的位置

圖3 工況1的管冷布置

2 管冷間距及距基底距離對混凝土內(nèi)部溫度及應(yīng)力的影響

工況1、2、3的水管距基礎(chǔ)底部距離相同,冷卻水初始水溫均設(shè)為15 ℃,工況6無管冷作用。根據(jù)控制變量法,分析水管水平間距對溫度和應(yīng)力的影響。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗,溫度最大值一般出現(xiàn)在混凝土澆筑后第3～5 d內(nèi)[8]。工況1下混凝土100 h時的溫度分布如圖4所示。由圖4可見基礎(chǔ)中下部溫度較高。

分別選取基礎(chǔ)的上、中、下3個編號分別為6、2 402、448的節(jié)點(具體節(jié)點位置見圖1)分析溫度、應(yīng)力及容許抗拉強度。工況1混凝土內(nèi)部3節(jié)點的溫度和應(yīng)力變化分別如圖5和圖6所示。由圖5可知,工況1的溫度峰值是42.72 ℃,與外界環(huán)境溫度20 ℃的溫差小于能產(chǎn)生裂縫的理論溫差25 ℃。

圖4 工況1澆筑100 h后的溫度分布

圖5 工況1內(nèi)外部節(jié)點溫度變化

圖6 工況1內(nèi)外部3點的應(yīng)力及容許抗拉強度

由圖6可知,工況1混凝土內(nèi)部3點的應(yīng)力數(shù)值均小于容許抗拉強度數(shù)值,說明工程是安全的。而工況2～6的溫度峰值分別為43.55、44.06、45.69、45.77和52.85 ℃。只有工況2、3的溫差小于25 ℃,是安全的,工況4～6的溫差大于25 ℃,有開裂的危險。應(yīng)力和容許抗拉強度曲線同樣符合這一結(jié)論,工況2、3的應(yīng)力數(shù)值小于容許抗拉強度值,而工況4～6的應(yīng)力有大于容許抗拉強度的情況。其中工況6未設(shè)置冷卻水管,溫差大于25 ℃,說明在混凝土內(nèi)部必須設(shè)置冷卻水管。由工況1、2、3的溫度峰值可知，在冷卻水管距基礎(chǔ)底部的距離d1不變,而冷卻水管之間的水平間距d2逐漸增大時,大體積混凝土的溫度峰值也逐漸增大。說明冷卻水管水平間距越小對溫度的控制越有利。

由于基礎(chǔ)厚度為1.8 m,對比工況1～5不難發(fā)現(xiàn),工況1的溫度峰值最小,而工況4、5均比工況1的大,可知在d2保持不變的情況下,d1距離基礎(chǔ)中部,即0.9 m位置處越近,溫度峰值越小。說明冷卻水管的布置距離基礎(chǔ)中部越近越好。

3 注入冷卻水溫度對混凝土內(nèi)部溫度峰值的影響

對除了沒有管冷作用的工況6以外的5種工況,分別改變冷卻水管注入水初始溫度,初始水溫分別為5、10、15、18、20、22和25 ℃,其他影響因素不變,可得到各工況下隨管冷作用水溫的不同溫度峰值的變化 (圖7)。

由圖 7可知,不論是哪種工況,隨著冷卻水注入溫度的增大,大體積混凝土水化熱過程中釋放熱量達到的溫度峰值也變大。由此可知,當設(shè)置冷卻水管時,注入冷卻水的初始溫度越低對控制溫度越有利。且當注入溫度為5 ℃和10 ℃時,溫度峰值相差不到 1 ℃,考慮到經(jīng)濟性,注入水溫控制在5～10 ℃即可。

圖7 冷卻水注入溫度與溫度峰值關(guān)系

4 結(jié)論

本文對大體積混凝土基礎(chǔ)進行了有限元分析,研究了管冷作用對混凝土內(nèi)部的溫度及應(yīng)力的影響,得到以下結(jié)論。

(1)在沒有管冷作用時,混凝土內(nèi)外部溫差大于25 ℃,有開裂的風險。因此本工程大體積混凝土在施工前須在混凝土內(nèi)部設(shè)置冷卻水管,以防止發(fā)生工程危險。

(2)冷卻水管之間的水平間距越小、水管的位置距離基礎(chǔ)中部越近及注入冷卻水管水流初始溫度越低,對大體積混凝土的溫度上升控制越有利。

(3)在本文的工程實際中,管冷作用的冷卻水注入溫度控制5～10 ℃即可很好地達到降溫需求。

[1]劉耀東,白應(yīng)華,余天慶,等.基于MIDAS的大體積混凝土承臺管冷技術(shù)優(yōu)化研究[J].混凝土,2009,33(9):110-112.

[2]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力及溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1999.

[3]陳群山.大體積混凝土施工過程中的水化熱分析及裂紋控制[D].武漢:華中科技大學,2011.

[4]王社良.大體積混凝土溫度裂縫控制機理與應(yīng)用方法研究[D].西安:西安建筑科技大學,2013.

[5]Deppo L L,Date C,Fiortto V.Optimizing the choice of quarries for large dam construction [J].Journal of Water Power and Dam Construction.1985,37(1):35-40.

[6]Myers T G,Fowkes N D,Ballim Y.Modeling the cooling of concrete by pipe water [J].Journal of Engineering Mechanics,2009,135(12):1 375-1 383.

[7]Jing Xiangyang,Liu Xinghong.Real-time temperature control for high arch dam based on decision support system [J].Transactions of Tianjin University,2014,20(2):118-125.

[8]北京邁達斯技術(shù)有限公司.Midas Gen工程應(yīng)用指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012:110-126.

(責任編校:江河)

Analysis of influence of pipe-cooling on mass concrete foundation temperature field

He Xiping,Liang Xiujian,Liu Minyi
(School of Civil Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei 230601,China)

Using the model by MIDAS/GEN,the changes of temperature and stress of mass concrete are analyzed as it uses six different kinds of water pipe cooling conditions.The results show that setting the cooling water pipe can effectively control the temperature peak inside the concrete;and the smaller the horizontal spacing of the cooling water pipes,the closer to the middle of the concrete,the lower the initial temperature of the injection water,the more favorable the temperature control.

mass concrete;cooling pipes;temperature peak;finite element

TU 375

A

1672-6146(2017)02-0077-03

梁修建,893822924@qq.com。

2016-12-30

10.3969/j.issn.1672-6146.2017.02.018