大体积混凝土温度效应控制中的冷却管优化研究

吴冬兰

摘要：大体积混凝土浇筑过程中温度效应控制不当往往容易产生裂缝，冷却管作为主要的温度效应控制措施，其布置形式对温度效应控制具有决定作用。文章采用FEA有限元软件对一座矮塔斜拉桥主墩承台大体积混凝土水化热进行了有限元分析，以间距中心作为控制点，运用穷举法优化了冷却管的横向间距和层间距布置形式，冷却管横向间距和层间距最优分别为1.2m和1.3m，冷却管用量减少了7.38%，提高了经济效益。

关键词：大体积混凝土;温度效应;冷卻管;穷举法

0 引言

在大体积混凝土浇筑过程中布置冷却管是主要的温度效应控制措施，而冷却管横向间距和层间距对水化热控制具有决定作用。20世纪中期刘宁等人对冷却管与混凝土之间的热量交换平衡原理进行了研究，“排水子结构”理论得到了进一步优化[1]。此后，国内外学者在大体积混凝土内外温度差与裂缝控制方面的研究较多，但主要集中在养护条件、环境温度、浇筑温度、浇筑方法和混凝土配合比方面，冷却管降温措施虽然常见，却少有研究[2-5]。在运用有限元计算大体积混凝土温度变化规律的基础上，采用冷却管控制大体积混凝土的温度效应成为了目前工程中普遍认可的方式。本文通过对一座矮塔斜拉桥主墩承台大体积混凝土水化热的有限元分析，优化了冷却管的横向间距和层间距布置形式，承台混凝土连续浇筑不分层得到实现，优化后的冷却管布置形式使得工程经济性提高，对规模相似的大体积混凝土浇筑具有一定的指导意义。

1 工程背景

某双塔单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，如图1和图2所示，主墩采用整体式矩形承台基础，横桥向长32.342m，顺桥向宽19.0m，承台周边转角为圆倒角。承台高6.0m，混凝土强度等级为C40，总浇筑方量为3513m3，采用钢模立模一次性浇筑，混凝土浇筑体积大，需要在浇筑过程中采取有效的温控措施。

2 大体积混凝土温度场有限元分析

2.1 物理热学特性参数取值

本项目承台混凝土强度等级为C40，水泥采用P·Ⅱ硅酸盐水泥，在拌和过程中添加粉煤灰及高效减水剂以尽可能地从原材料方面降低大体积混凝土的温度效应。考虑到工程建设过程中并未对混凝土物理热学特性进行试验，相关参数取值参考了《大体积混凝土温度测控技术规范》（GB/T51028-2015）及相关文献[6-8]，除混凝土强度等级及水泥品种外，其他物理热学特性参数见表1。

2.2 冷却管优化方法

根据相关规范规定[6]，本桥承台高6m，应采用多层多回路冷却管。冷却管采用钢管材料时，管横向间距应在1.0～2.0m，层间距宜为1.5m（见图3和图4）。不同的大体积混凝土，热性能参数不尽相同，需要因地制宜地对项目进行冷却管的横向间距及层间距设计。大体积混凝土冷却管布置间距参考范围小，采用穷举法简单直接解决本项目冷却管横向间距及层间距优化问题，优化计算内容见表2。

2.3 有限元模型

本项目承台为32.342m×19.0m×6.0m不规则体，考虑到冷却管布置并非对称形式，采用FEA有限元分析软件建立整个承台实体模型，如下页图5所示。离散单元采用6面体实体单元，承台划分为127509个节点，单元83243个。桥梁承台采用钢模板立模，6m高承台一次性浇筑。有限元模型的边界条件如下：

（1）承台浇筑完成后顶面与空气直接接触，项目承台在4月份浇筑，根据桥址所在区域往年平均气温统计结果，混凝土表面与大气接触处温度取值与统计结果一致，均为25℃，且混凝土表面热流量函数与时间相关。

（2）承台底面与垫层交界，不设对流边界。

（3）承台四周支模采用钢模板，符合第3类边界条件的特点，即-λ[SX（]t[]n[SX）]=β（t-ta），其中β为表面放热系数，λ为导热系数，t为混凝土外表面温度，ta为承台周围介质温度。

3 冷却管布置优化结果及分析

3.1 横向间距优化结果及分析

假定层高为定值，在冷却管横向间距的优化过程中，显然间距越大越不利，当计算结果满足要求之后，不需再对后续拟定的间距进行计算。承台为非规则几何体，冷却管不能均匀满布，典型控制点取冷却管横向间距的中点（见图3）。冷却管在不同横向间距工况下，承台混凝土内部典型控制点温度效应结果见表3，无冷却管和横向间距优化后（1.2m工况）承台浇筑过程最大温度效应云图见图6和图7。

（1）从图6可见，不设冷却管时承台浇筑过程中最大温度为70.8℃，最大拉应力为4.83MPa，最大压应力为5.51MPa，拉压应力不满足同龄期混凝土受力，需要布置冷却管来控制内部温度及应力。

（2）横向间距在1.0～1.2m时，承台典型控制点最大温度为49.5℃～50.1℃，最大拉压应力均变化较小;横向间距在1.3～1.5m时，承台典型控制点最大温度在53.2℃～58.5℃范围内，最大拉压应力在2.25～3.16MPa范围内。

（3）1.2m横向间距时，冷却管附近与典型控制点最大温差可控制在25℃以内，满足规范要求，可见冷却管横向间距优化值为1.2m。

（4）与规范规定的冷却管横向间距1m比较，冷却管用量减少了7.38%。

3.2 层间距优化结果及分析

以3.1节优化结果为基础，假定冷却管横向间距1.2m为定值，以规范推荐值1.5m进行计算，温度效果不佳时，按0.1m间隔缩短冷却管层间距进行计算。通过有限元软件穷举法计算表2中层间距的优化内容，典型控制点取冷却管各层间距的中点（见图4），冷却管在不同层间距工况下，承台混凝土内部典型控制点温度效应结果见表4，无冷却管和层间距优化后（1.3m工况）承台浇筑过程最大温度效应云图见图8和图9。

（1）承台冷却管采用1.5m层间距时，混凝土最大温度为61.1℃，最大拉应力为3.22MPa，混凝土温差超过25℃，拉应力偏大，混凝土有开裂风险，可见1.5m层间距并非最佳值，需要根据不同工程规模及施工条件进行冷却管层间距优化。

（2）层间距在1.0～1.3m时，承台典型控制点最大温度为48.6℃～50.2℃，最大拉压应力均变化较小;层间距在1.4～1.5m时，承台典型控制点最大温度在55.6℃～61.1℃范围内，最大拉压应力在2.56～3.22MPa范围内。

（3）1.3m层间距时，冷却管附近与典型控制点最大温差可控制在25℃以内，满足规范要求，可见冷却管层间距优化值为1.3m。

4 结语

本文在有限元计算大体积混凝土温度变化规律的基础上，以间距中心作为控制点，优化了冷却管的横向间距和层间距布置形式，得到了一些有益的结论：

（1）需要根据不同工程规模及施工条件对大体积混凝土冷却管布置形式进行优化。本工程冷却管横向间距和层间距最优值分别为1.2m和1.3m。

（2）通过对冷却管横向间距的优化，与规范规定的冷却管横向最小间距1m比较，冷却管用量减少了7.38%，提高了经济效益。

（3）在冷却管布置形式优化过程中，表内温差一般控制在25℃以内，以间距中心作为控制点可提高温度控制的准确性。

参考文献：

[1]刘 宁，刘光廷.水管冷却效应的有限元子结构模拟技术[J].水利学报，1997（12）：43-49.

[2]陈志军，康文静，李 黎.空心薄壁墩水化熱温度效应研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），2007，30（5）：105-108.

[3]陈水生，陈芮韬，何国城.杭州湾跨海大桥北航道桥斜拉桥承台混凝土温度裂缝控制[J].公路，2006（9）：94-96.

[4]王 强，霍延威，夏 菲，等.基于ABAQUS的大体积混凝土水化热温度场的数值分析[J].混凝土，2015，309（7）：35-39.

[5]张 宁，周 鑫，刘永健，等.基于点阵式测量的混凝土箱梁水化热温度场原位试验[J].土木工程学报，2019，52（3）：76-86.

[6]GBT51028-2015，大体积混凝土温度测控技术规范[S].

[7]刘世建，某拱桥承台大体积混凝土水化热温度效应研究[J].南华大学学报（自然科学版），2018，32（5）：60-64.

[8]候荣伟.大体积混凝土基础板内部温度监测及裂缝控制[D].长沙：中南大学，2014.