基于MIDAS的大体积混凝土水管冷却仿真分析

程国祥

摘 要：随着近年来大型工程的增多，大体积混凝土水化热的温度控制问题变得越来越重要。在桥梁的设计、施工中对大体积混凝土水化热温度场进行研究，对其进行有限元模拟和温度控制是很必要的。文章以石武客运专线跨南水北调总干渠特大桥为例，讨论了冷却水管对大体积混凝土浇注后的降温作用和冷却水管的合理布置。

关键词：大体积混凝土；温度场；冷却水管；数值模拟

1 大体积混凝土温度监控的目的和意义

由于桥梁、大坝等大体积混凝土结构处在不同的环境中，水化热不容易及时散发，内部温度将会很高，可能会引起温度分布与规范规定有较大的差异，产生较大的温度应力，导致温度裂缝。因此有必要对桥梁、大坝混凝土结构应用有限元计算分析方法确定其温度场的分布和应力的大小，从而为研究、预测、分析温度场以及温度裂缝控制设计、制定合理的抗裂措施提供了依据。

人们最早关注大体积混凝土是在大坝的施工中出现因为温度产生裂缝问题，随着桥梁建设规模的加大，越来越多的桥梁承台和桥墩采用大体积混凝土一次性浇注，所以桥梁施工中也出现了由于温度而产生裂缝的问题。比较常见的就是在桥梁的承台和桥墩的施工过程中，由于水化热导致混凝土内部温度过高、内外温度差异过大，而导致温度裂缝的出现。目前，许多桥梁的桥墩采用箱型截面的结构形式，箱型截面桥墩的底层的尺寸较大，属于大体积混凝土，且采用较高标号的混凝土浇注，因而产生水化热较多，容易出现温度裂缝的问题。

有关大体积混凝土温度效应受到了越来越多的关注，但问题并没有得到很好的解决，其原因是影响混凝土温度的因素较多，仿真计算的变迁跟不上建设计划，材料参数选择复杂，仿真分析的程序和步骤繁琐，从而仿真结果与实际工程有较大的差距。

2 冷却水管降低大体积混凝土最高温升的可行性

采取人工冷却措施是降低大体积混凝土最高温升的有效手段，比较常用，其中效果较好的冷却方法是冷却水管法。影响冷却水管冷却效果的因素很多，对其进行计算分析较复杂，主要表现在：

（1）冷却水管内的水温沿水流动的方向是逐步升高的。

（2）施工中混凝土采用分层浇注，各层之间的混凝土的水化热相互影响。

（3）冷却水管在降温的同时，大体积混凝土的表面也在散热，温度场是实时变化的。

（4）研究对象往往采用分层浇注，各浇注层之间间歇时间不同。

由于以上原因，使得该问题用有限单元法来计算比较方便和准确。

3 工程实例

3.1 工程概况

4 结束语

总结实测数据和有限元分析水化热温度变化规律，可以得出以下结论：

（1）实测的最高温度值均在浇注后的第3到4天中出现。

（2）混凝土浇注后的升温速率非常快，而降温速率则较慢，最高温度持续时间较长。

（3）测点的实际温度和运用MIDAS有限元软件进行仿真模拟得到的理论值的变化规律相似，且测点温度值比较接近。

（4）承台长边方向的预设测点测出的温度均略低于短边方向上测点的温度值，主要是因为尺寸效应对温度场的影响。

（5）模拟值与实测值也是存在差异的：大部分测点的实测温度峰值出现时间与模拟温度峰值出现时间相当，部分测点出现温度最大值的时间与运用MIDAS有限元软件进行仿真模拟得到的时间存在差异，但是一般差异在10h之内；实测温度最大值要比理论值要高出1～7℃，这主要是由于运用MIDAS有限元软件进行仿真模拟中混凝土表面系数的取值较小，当然还有施工条件的复杂性也不可忽略。另一个原因是在有限元的分析过程中没有考虑模板的温度。

参考文献

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1999.

[2]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]陈仲先，汤雷.大型桥梁中大体积混凝土的温度控制[J].桥梁建设，2001.