基于熱-力耦合大體積混凝土水化熱控制技術(shù)

陳 楊

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京100088)

澆筑混凝土?xí)r，水泥水化過程中產(chǎn)生大量熱量會使混凝土的溫度升高，雖然隨時間推移混凝土的溫度會降低，但是各部分的溫度下降不一致，會形成溫差，從而使混凝土的產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力過大，將會導(dǎo)致混凝土開裂，影響結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性。文獻[1-2]混基于有限元方法,提出比較完善的混凝土水化熱計算理論。文獻[3]提出論證新型環(huán)形的冷卻水管可以更加有效的降低混凝土中部溫度。文獻[4-5]熱溫升進行研究，提出計算混凝土絕熱溫升的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。文獻[6-7]利用有限元方法，研究了混凝土水化熱計算分析且對理論計算方式進行改進。文獻[9-11]以大體積混凝土為例，利用有限元數(shù)值分析，結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果和實測結(jié)果吻合性好。文獻[12-14]依托實際工程，實測混凝土水化熱情況與理論結(jié)果比較。同時提出降低水化熱的措施。本文對橋墩承臺施工期間的水化熱溫度進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于數(shù)值分析模型，對溫度數(shù)據(jù)進行對比。利用有限元分析技術(shù)，研究在改變冷卻管的間距、層數(shù)、管徑、進水溫度和流量等參數(shù)對大體積混凝土承臺水化熱的影響。

1 有限元模型

1.1 工程概況

橋梁全長518.6 m，寬20.5 m。選取承臺混凝土水化熱進行實時監(jiān)控。冷卻水管采用壁厚2.5 mm、直徑φ32 mm的圓鋼管。冷卻水管在豎向為C1～C5共5層，間距大致為1 m。承臺冷卻管的具體布置如圖1所示。

圖1 承臺冷卻管布置(單位:cm)

1.2 有限元模型

通過MidasFEA建立有限元模型，數(shù)值模擬計算主墩承臺澆筑、養(yǎng)護期間的溫度變化特征。數(shù)值分析模型一共有102 496個節(jié)點和23 860單元。模型示意如圖2所示，豎向分布為5 m高承臺、1 m高C30混凝土墊層、2 m沙土基礎(chǔ)。

圖2 有限元模型

2 結(jié)果分析

2.1 實測值與有限元結(jié)果分析

由于大體積混凝土澆筑所需時間較長，澆筑過程中已經(jīng)有水化熱溫升存在，但受到環(huán)境施工等的影響，溫升過程不穩(wěn)定。因此，將澆筑完成3 h時刻作為實測溫度數(shù)據(jù)擬合起點。選取實測數(shù)據(jù)16個點，與相對應(yīng)有限元模型的節(jié)點進行分析。具體各節(jié)點的溫度變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 16個節(jié)點的實測值與理論值對比

通過16個節(jié)點實測值與理論值的對比發(fā)現(xiàn)，雖然實測值圍繞理論值變化，但是變化趨勢卻是基本一致的。有限元模型的混凝土水化熱與實測值有重合的較為良好。通過實測值和理論值比較發(fā)現(xiàn)混凝土水化熱大概40～60 h快速升溫達(dá)到峰值溫度。

2.2 改變參數(shù)有限元結(jié)果分析

基于已有的有限元模型的基礎(chǔ)上，從改變冷卻管的間距、流量、溫度、層數(shù)、管徑等方面，分析相應(yīng)參數(shù)變化對混凝土水化熱的影響。選取6個節(jié)點對比在不同情況下的溫度變化。6個節(jié)點分布具體如圖4所示。

圖4 6個節(jié)點具體分布

2.2.1 改變冷卻管的間距

保證其他參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，分析冷卻管的間距為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m時節(jié)點1～6的溫度變化的規(guī)律。圖5為各節(jié)點溫度場的變化規(guī)律。

圖5 12個節(jié)點的溫度變化

由圖5看出，改變冷卻管的間距可以明顯使各節(jié)點的溫度冷卻速度加快，說明冷卻管間距的減少可以加強降溫作用。特別是1 m改變0.5 m時，冷卻效果非常明顯，最高溫度大約下降了6 ℃左右，溫度曲線達(dá)到最高溫度的下降速度更加快速。當(dāng)節(jié)點1、2、5、6在間距為1.5 m的降溫效果不如間距為2 m時，經(jīng)過察看模型發(fā)現(xiàn)，間距為2 m其節(jié)點離冷卻管較近，從而對其降溫效果產(chǎn)生了一定影響。隨著間距的減少，冷卻效果有明顯的提高，但是冷卻管用材料明顯增多，當(dāng)間距過小，可能使冷卻管的布置困難。因此布置冷卻管時不宜采用特別小的間距。

2.2.2 改變冷卻管的層數(shù)

保證其他參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，分析冷卻管層數(shù)為0、1、3、5層時節(jié)點1～6的溫度變化的規(guī)律。圖6為各節(jié)點溫度場的變化規(guī)律。

由圖6可以看出，增加冷卻管的層數(shù)時，可以使各節(jié)點的溫度冷卻速度加快。特別時無冷卻管與原模型五層的對比發(fā)現(xiàn)，其降溫效果尤其明顯，由此可鑒布置冷卻管的重要性。節(jié)點2有無冷卻管與原模型對比，最高溫度由69.3 ℃降低至59 ℃，高溫的持續(xù)時間明顯降低，對防止混凝土早期開裂有明顯的效果。其他的節(jié)點也有此規(guī)律。

圖6 12個節(jié)點的溫度變化

2.2.3 改變冷卻管的管徑

保證其他參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，分析冷卻管管徑為16 mm、32 mm、48 mm、64 mm時節(jié)點1～6的溫度變化的規(guī)律。圖7為各節(jié)點溫度場的變化規(guī)律，可以看出，增加冷卻管的管徑時，可以使各節(jié)點的溫度冷卻速度加快，各節(jié)點的最高溫度大概降低3 ℃，最高降低4.5 ℃，且降溫速度明顯加快。能達(dá)到相應(yīng)的降溫效果。但隨著管徑的增大，降溫效果增加，同時也會使施工和布置出現(xiàn)困難。因此工程采用適合的管徑，達(dá)到理想的降溫效果來防止混凝土的早期開裂。

圖7 12個節(jié)點的溫度變化

2.2.4 改變冷卻管進水溫度

保證其他參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，分析冷卻管進水溫度為1 ℃、5 ℃、9 ℃、13 ℃時節(jié)點1～6的溫度變化的規(guī)律。圖8為各節(jié)點溫度場的變化規(guī)律，可以看出，增加冷卻管進水溫度時，會使各節(jié)點的溫度冷卻速度降低，但是降溫效果并不理想。為了防止混凝土水化熱引起的裂縫，冷卻水的溫度越低，冷卻效果越好，但是過低的溫度會使冷卻水的制備相應(yīng)增加施工難度和經(jīng)費方面，而且過大的溫差會使水管周圍的混凝土產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，從而引起開裂。因此冷卻水的溫度也不能太低。

圖8 12個節(jié)點的溫度變化

2.2.5 改變冷卻管流量

保證其他參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，分析冷卻管流量為1 m3/h、3 m3/h、5 m3/h、7 m3/h時節(jié)點1～6的溫度變化的規(guī)律。圖9為各節(jié)點溫度場的變化規(guī)律，可以看出，增加冷卻管進水流量時，也可以使各節(jié)點的溫度冷卻速度降低，但是效果不如改變其他參數(shù)明顯。根據(jù)相關(guān)公式，冷卻水流量增加一倍時，冷卻時間減少18.6%，因此改變冷卻管的流量來達(dá)到降溫效果并不會很明顯。因此工程中不要通過增加流量來達(dá)到降低溫度的作用。

圖9 12個節(jié)點的溫度變化

3 結(jié)論

(1)有限元模型的結(jié)果與實測結(jié)果對比，變化趨勢基本相同，表明有限元模型效果良好。

(2)當(dāng)冷卻管的間距1 m改變0.5 m時，冷卻效果非常明顯，最高溫度大約下降了6 ℃左右。無冷卻管與有冷卻管對比發(fā)現(xiàn)，其降溫效果尤其明顯，最高溫度由69.3 ℃降低至59 ℃，且高溫的持續(xù)時間明顯降低。增大冷卻管的直徑16 mm到64 mm時，各節(jié)點的最高溫度大概降低3 ℃，最高降低4.5 ℃，且降溫速度明顯加快。通過改變、層數(shù)、管徑等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)增大間距、層數(shù)和管徑能達(dá)到較好的降溫效果，從而可以防止早期混凝土開裂。

(3)通過改變冷卻管的進水溫度和流量，亦可達(dá)到降低混凝土溫升的效果。但是由于降溫效果不理想，且施工難度和經(jīng)費方面的要求，降低進水溫度在工程不易實現(xiàn)。增加冷卻管的流量達(dá)不到良好的降溫作用，工程亦不會采用增大流量的措施來避免混凝土早期開裂。