水管冷却对大体积混凝土基础温度场影响分析

何夕平,梁修建,刘敏义

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥,230601)

水管冷却对大体积混凝土基础温度场影响分析

何夕平,梁修建,刘敏义

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥,230601)

用MIDAS/GEN软件建立模型,分析了水管冷却6种工况下大体积混凝土内部的温度和应力变化。结果表明:设置冷却水管可以有效控制混凝土内部的温度峰值;冷却水管的水平间距越小,水管距混凝土中部越近,管中注入水流初始温度越低,对温度的控制越有利。

大体积混凝土;冷却水管;温度峰值;有限元

随着我国建筑业的不断发展,高层和超高层建筑已经越来越普遍,大体积混凝土基础也愈发常见地应用其中。大体积混凝土施工由于混凝土使用量大、体积庞大、施工条件复杂,除了要满足常见的强度、钢度、稳定性外,还要特别注意其裂缝的扩散[1]。大量的资料表明,混凝土结构早期裂缝的产生与温度应力密不可分[2]。大体积混凝土在浇筑过程当中,由于混凝土量巨大,水泥反应产生大量水化热,这些热量使得大体积混凝土内、外部的温度急剧升高[3-4]。而混凝土的材料属性使得内部散热极其缓慢,外部温度降低较快,这样形成的温度应力容易诱发混凝土开裂。为了防止这种情况的发生,在大量的研究基础之上,人们提出了一些措施来控制大体积混凝土的温度场,如减少水泥的使用、分层浇筑、表面保温以及设置水管冷却等等[5]。其中,通过在将要施工的混凝土中预埋冷却水管,施工时注入循环水来减小因水化热而产生的温度上升是控制温度应力的一种重要且有效方法[6−7]。

本文通过MIDAS/GEN软件建立模型,分析了有无冷却水管、冷却水管之间不同间距以及水管循环水初始注入温度对温度场的影响。

1 模型与工况

用MIDAS/GEN软件的水化热模块建立模型,模型尺寸为:基础11.2 m×8 m×1.8 m;地基17.6 m×12.8 m×2.4 m。水泥采用低热硅酸盐水泥,外部环境温度为常温20 ℃。对混凝土模型浇筑后的1 000 h进行水化热分析,管冷作用于前100 h。考虑到结构的对称性,取结构的1/4进行建模,模型如图1所示。根据有无水管冷却以及冷却水管之间的水平间距划分为6种工况如表1所示。表1中:d1为冷却水管距基础底部的距离；d2为冷却水管之间的水平间距。工况1的管冷布置如图2和图3所示。

表1 模型分析工况 /m

图1 地基及基础分析模型

图2 工况1的水管在基础中的位置

图3 工况1的管冷布置

2 管冷间距及距基底距离对混凝土内部温度及应力的影响

工况1、2、3的水管距基础底部距离相同,冷却水初始水温均设为15 ℃,工况6无管冷作用。根据控制变量法,分析水管水平间距对温度和应力的影响。根据工程实践经验,温度最大值一般出现在混凝土浇筑后第3～5 d内[8]。工况1下混凝土100 h时的温度分布如图4所示。由图4可见基础中下部温度较高。

分别选取基础的上、中、下3个编号分别为6、2 402、448的节点(具体节点位置见图1)分析温度、应力及容许抗拉强度。工况1混凝土内部3节点的温度和应力变化分别如图5和图6所示。由图5可知,工况1的温度峰值是42.72 ℃,与外界环境温度20 ℃的温差小于能产生裂缝的理论温差25 ℃。

图4 工况1浇筑100 h后的温度分布

图5 工况1内外部节点温度变化

图6 工况1内外部3点的应力及容许抗拉强度

由图6可知,工况1混凝土内部3点的应力数值均小于容许抗拉强度数值,说明工程是安全的。而工况2～6的温度峰值分别为43.55、44.06、45.69、45.77和52.85 ℃。只有工况2、3的温差小于25 ℃,是安全的,工况4～6的温差大于25 ℃,有开裂的危险。应力和容许抗拉强度曲线同样符合这一结论,工况2、3的应力数值小于容许抗拉强度值,而工况4～6的应力有大于容许抗拉强度的情况。其中工况6未设置冷却水管,温差大于25 ℃,说明在混凝土内部必须设置冷却水管。由工况1、2、3的温度峰值可知，在冷却水管距基础底部的距离d1不变,而冷却水管之间的水平间距d2逐渐增大时,大体积混凝土的温度峰值也逐渐增大。说明冷却水管水平间距越小对温度的控制越有利。

由于基础厚度为1.8 m,对比工况1～5不难发现,工况1的温度峰值最小,而工况4、5均比工况1的大,可知在d2保持不变的情况下,d1距离基础中部,即0.9 m位置处越近,温度峰值越小。说明冷却水管的布置距离基础中部越近越好。

3 注入冷却水温度对混凝土内部温度峰值的影响

对除了没有管冷作用的工况6以外的5种工况,分别改变冷却水管注入水初始温度,初始水温分别为5、10、15、18、20、22和25 ℃,其他影响因素不变,可得到各工况下随管冷作用水温的不同温度峰值的变化 (图7)。

由图 7可知,不论是哪种工况,随着冷却水注入温度的增大,大体积混凝土水化热过程中释放热量达到的温度峰值也变大。由此可知,当设置冷却水管时,注入冷却水的初始温度越低对控制温度越有利。且当注入温度为5 ℃和10 ℃时,温度峰值相差不到 1 ℃,考虑到经济性,注入水温控制在5～10 ℃即可。

图7 冷却水注入温度与温度峰值关系

4 结论

本文对大体积混凝土基础进行了有限元分析,研究了管冷作用对混凝土内部的温度及应力的影响,得到以下结论。

(1)在没有管冷作用时,混凝土内外部温差大于25 ℃,有开裂的风险。因此本工程大体积混凝土在施工前须在混凝土内部设置冷却水管,以防止发生工程危险。

(2)冷却水管之间的水平间距越小、水管的位置距离基础中部越近及注入冷却水管水流初始温度越低,对大体积混凝土的温度上升控制越有利。

(3)在本文的工程实际中,管冷作用的冷却水注入温度控制5～10 ℃即可很好地达到降温需求。

[1]刘耀东,白应华,余天庆,等.基于MIDAS的大体积混凝土承台管冷技术优化研究[J].混凝土,2009,33(9):110-112.

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

[3]陈群山.大体积混凝土施工过程中的水化热分析及裂纹控制[D].武汉:华中科技大学,2011.

[4]王社良.大体积混凝土温度裂缝控制机理与应用方法研究[D].西安:西安建筑科技大学,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]北京迈达斯技术有限公司.Midas Gen工程应用指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2012:110-126.

(责任编校: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