大体积混凝土利用冷水管降温相关参数的确定

张宏祥，李长平

(东北林业大学土木工程学院，哈尔滨150040)

在大体积混凝土承台施工过程中，由于胶凝材料的水化热作用放热，且大体积混凝土自身又具有一定的保温性能，因此其内部温升幅度较快，表层的温升幅度较慢，进而形成了较大的内外温差［1-2］。如果温差产生的表面拉应力，超过此时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土表面产生裂缝［3-5］，从而影响桥梁结构安全及正常的使用，所以大体积混凝土需进行特殊的水化热设计研究。

本文以珲春大桥工程中主桥大体积混凝土承台为研究对象，对大体积混凝土管冷技术的相关参数进行优化设计，控制混凝土内外温差，防止大体积混凝土产生裂缝。实践证明，合理地优化管冷技术的相关参数，可以更好地对大体积混凝土冷却降温，用时也减少能源的浪费。

1 项目简介

1．1 项目概况

珲春大桥位于珲春市区，跨越珲春河，连接珲春市区与经济合作区，桥梁全长1 778 m，主桥为独塔双索面预应力混凝土斜拉桥结构。主桥布置39．9 m+89．1 m+151 m独塔双索面混凝土斜拉桥，主桥长280 m，主跨跨越孤岛，珲春大桥主桥左幅6#承台尺寸为39．7 m×19．3 m×5 m，承台浇筑体积约为4 000 m3，属于大体积混凝土。

1．2 冷水管布置

左幅6#承台为降低水化热，在承台内部设置了降温水管，降温水管采用内径44 mm的钢管，上下共设置三层，每层间距1．2 m，平面布置15根管，间距2 m，每根管之间采用弯头连接。每层设置1个进水口，2个出水口，如图1和图2所示。

图1 左幅6#承台冷水管布置立面图Fig．1 Vertical view of cold water pipe layout in the left of 6#pile caps

图2 左幅6#承台冷却水管布置平面图Fig．2 Cold water pipe plane in the left of 6#pile caps

1．3 混凝土配合比及材料的选择

本工程承台由C35混凝土浇筑，每立方米混凝土材料用量为:水泥275 kg、水130 kg、砂685 kg、碎石1 065 kg、粉煤灰45 kg、矿粉95 kg、减水剂9．13 kg。水泥选用庙岭北方水泥有限公司生产的P·O 42．5水泥，碎石选用珲春市英安关门碎石厂生产的碎石，粉煤灰选用珲春电厂生产的I级粉煤灰，砂选用珲春红旗河的砂，减水剂选用珲春鸿森建材有限公司生产的hsd-798聚羧酸高效泵送减水剂。

2 热源函数

根据本工程所选用的混凝土配合比，模型计算分析所选用的热原函数如下［6-8］:

式中:Q(τ)为在龄期τ时积累的水化热kJ/kg;Q0为τ→∞时，对于P·O42．5水泥的最终水化热，Q0=330 kJ/kg;e为龄期，d;g为对于P·O42．5水泥，取g=0．69;h为对于P·O42．5水泥，取h=0．56;

式中:w为水泥用量，取w=275 kg;c为混凝土比热，取c=0．953 kJ/kg·℃;ρ为混泥土密度，取ρ=2304．13 kg/m3;F为混合料用量，取F=45kg;Qτ为水泥水化热;k为折减系数，对于粉煤灰，可取 k=0．25。

3 有限元分析

3．1 有限元模型

MIDAS/FEA是具有土木专业特点的非线性分析软件，本工程利用该软件水化热参数分析的功能，建立有限元模型分析大体积混凝土冷水管降温的相关参数，由于承台具有对称性，故可取承台的1/4进行建模和分析［9-10］;珲春大桥主桥左幅6#承台共划分为29 309个节点，28 110个单元。模型中通过节点连接建立管道，管冷效应通过荷载来模拟，1/4模型如图3所示。

图3 左幅6#承台有限元模型图Fig．3 The finite element model of the left of 6#pile caps

外界大气温度实测曲线如图4所示。

图4 外界大气温度实测图Fig．4 The measured atmospheric temperature

3．2 材料热特性

承台:比热C为0．953 kJ/(kg·℃)，密度ρ为2 304．13 kg/m3，导热系数 λ 为 9．43 kJ/(m·h·℃)，模板放热系数β为12．56，弹性模量为3．15×107kN/m2，热膨胀系数为1．0×105，泊松比为0．20。

基础:比热C为0．84 kJ/(kg·℃)，密度ρ为1 800．00 kg/m3，导热系数 λ 为 7．12 kJ/(m·h·℃)，外表面放热系数β为50．24，弹性模量为1．0 ×106kN/m2，热膨胀系数为 1．0 ×105，泊松比为0．18。

4 计算结果分析

4．1 管冷承台水化热与承台水化热对比分析

通过FEA模型对承台设置冷水管(冷却水管选用内径44 mm的钢管，进水温度控制为16．4℃、进水流量控制为9．0 m3/h)与未设冷水管的承台进行对比分析，如图5所示，未设置冷水管时温度—时间曲线的峰值出现在140 h前后，最高温度71．5℃，此时混凝土表面出现裂缝，最大缝宽δ=0．50 mm，设置冷水管后温度—时间曲线的峰值前移且下降，最高值64．12℃出现在100h前后。此时混凝土表面出现裂缝，最大缝宽δ=0．08 mm。通水时间根据实测内外温差而定，当内外温差小25℃时即可停止通水［11-12］。

图5 设置冷水管与未设置冷水管的模型分析结果对比图Fig．5 Comparison of the model analysis results with cold water pipe and without cold water pipe

4．2 参数分析

4．2．1 进水温度分析

进水温度越低，水吸收混凝土热量的效果越好，降温速率就快，但冷水管与周围混凝土的温差就越大，温差大产生的应力就大，这样冷水管周围混凝土极易产生裂缝。

本次 FEA模拟4、10、16、22℃四种进水温度。连续通水150 h(冷却水管选用内径44 mm的钢管，进水流量控制为9．0 m3/h)。

表1 不同进水温度下模型分析结果Tab．1 The model analysis results under different inlet water temperature

由表1可知，随进水温度的升高，承台内最高温度有所提升，达到最高温度的时间也略有延迟。考虑现场实际情况施工中承台内部温度在40℃以下时，控制进水温度在10℃左右;承台内部温度在40～50℃时，控制进水温度在15℃左右，承台内部温度在50℃以上时，控制进水温度在20℃左右，通过这样的调整对大体积混凝土的冷却达到了预期的效果。

4．2．2 进水流量分析

过水面积一定的时候，当单位时间内通过的水流量增大时，所吸收混凝土水化热释放的热量就越多，降温效果就越好。

本次 FEA 模拟进水流量分别为 7．0、8．0、9．0、10．0、11．0 m3/h(冷却水管选用内径 44 mm的钢管，进水温度设定为16．4℃)。

表2 不同进水流量下模型分析结果Tab．2 The model analysis results under different water flow rate

由表2可知，随进水管流量的增加承台核心点的最高温在逐渐递减，递减的温度梯度也在逐渐减小;随进水管流量的增加承台达到做高温的时间在逐渐前移，但流量达到11．0 m3/h时达到最高温度的时间仍是99 h相对9．0 m3/h时提升并不明显。考虑工程实际情况，承台内部温度在40℃以下时，进水流量可控制在9．0 m3/h，承台内部温度超过40℃时，可将进水流量增加至10．0 m3/h，通过这样的调整对大体积混凝土的冷却达到了预期的效果，不同进水流量下模型分析结果见表2。

4．2．3 进水管直径分析

流量、进水温度一定时，当过水面积增大时，所吸收混凝土水化热释放的热量就越多，降温效果就越明显。

本次FEA模拟冷水管直径分别为2．5、3．5、4．4、5．5、6．5 cm(进水流量设定为 9．0 m3/h，进水温度设定为16．4℃)，不同冷水管直径下模型分析结果见表3。

表3 不同冷水管直径下模型分析结果Tab．3 The model analysis results under different cold water pipe diameter

由表3可知，承台核心点的最高温度随冷水管直径的增加而逐渐降低，冷水管直径由3．5 cm增加到4．5 cm，相对于由2．5 cm增加到3．5 cm冷却效果降低了50%;冷水管直径由3．5 cm增加到4．5 cm，相对于由4．5 cm增加到5．5 cm冷却效果降低了66．7%。将冷却效果与经济效益综合考虑，本工程选用内径44 mm的冷水管。

4．3 FEA分析值与现场实测值对比

珲春大桥左幅6#承台的冷却水管选用内径44 mm的钢管，流量控制为9．0 m3/h，水流入温度为16．4℃左右，承台核心点理论值与实测对比结果如图6所示。

图6 理论曲线与实测曲线对比图Fig．6 Comparison of the theoretical curve and measured curve

从图6中可以看出，温度最大值出现在99 h，此时理论值与实测差值也是最大为1．4℃，100～330 h之间理论值略大于实测值，330 h之后理论值略小于实测值，根据现场实际情况分析出现这一现象与外界气温有关，100～330 h期间外界温度较平稳，330 h后开始降温。理论值与实测值虽有小范围的波动，但实测曲线与理论曲线基本相符，实践证明本工程管冷所取参数是合理的。

5 结论

(1)基于实际工程的FEA数值分析结果是可以应用于实际的，对大体积混凝土的施工具有指导意义。

(2)较低的进水温度对于降低承台温度十分有利，但考虑内外温差过大产生的应力会使混凝土产生裂缝，以本工程为例:施工中承台内部温度在40℃以下时，控制进水温度在10℃左右;承台内部温度在40～50℃时，控制进水温度在15℃左右，承台内部温度在50℃以上时，控制进水温度在20℃左右，这样既有利与承台的降温，也不会因内外温差过得产生的拉应力使混凝土开裂。

(3)进水流量可根据实测温度数据进行调控，以本工程为例:承台内部温度在40℃以下时，进水流量可控制在9．0 m3/h，承台内部温度超过40℃时，可将进水流量增加至9．0 m3/h，这样可以更好的对大体积混凝土进行冷却。

(4)冷水管直径由2．5 cm增加到4．5 cm冷却效果较好;冷水管直径由4．5 cm增加到5．5 cm，冷却效果变得不明显，当由5．5 cm增加到6．5 cm时冷却效果更弱，将冷却效果、经济效益、施工难易程度等综合考虑，本工程选用内径44 mm的冷水管。

大体积混凝土管冷技术的相关参数是相互制约的，施工时要根据实际情况均衡利弊，时时监控、时时进行调整。

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