基于管冷系統的大體積承臺水化熱抗裂研究

李一鳴 高新民 張坤 柳適

（1 蘭州交通大學；2 甘肅路橋第三公路工程有限責任公司）

隨著橋梁結構快速發展，為滿足承載力要求，大體積承臺被廣泛使用。在澆筑期間，由于承臺尺寸較大，混凝土方量較多，水泥水化熱較大，混凝土導熱系數較小，熱量不容易散失，易使其內部溫度急劇上升，里表溫度分布不均勻，產生由溫度應力引起的裂縫，進而嚴重影響結構的使用[1]。隨著眾多學者對大體積混凝土澆筑后早期開裂問題的研究，逐步建立起水化熱溫度計算與控制方法[2-4]。近年來，古錚[5]等通過對某超高層筏板基礎的溫度監控，發現大體積混凝土結構豎向和橫向溫度場分布規律；張寧[6]等通過德洛內三角網格算法，從而繪制出箱梁溫度場云圖以分析水化熱溫度發展規律。

在自然散熱情況下，大體積混凝土結構內部溫度下降緩慢，趨于穩定時間較長，需要采用人工措施加速混凝土內部冷卻，減小里表溫差?；诠芾湎到y的熱力學研究被國內學者廣泛關注，朱伯芳[7]提出考慮外界環境溫度影響下的管冷系統冷卻熱傳導方程。近幾年，魏德敏[8]等通過有限元模擬，分析了多個冷卻管參數對大體積混凝土結構水化熱的影響，建立了基礎最高溫度估算公式；王瓊[9]等通過CFD數值仿真方法，證明混凝土結構中布置管冷系統能有效控制混凝土水化熱帶來的影響，并驗證了CFD方法的準確性；王祥國[10]等依托某拱橋拱座，通過有限元計算，分析了冷卻管布置方式、冷卻水流量及溫度與通水時間對混凝土結構的冷卻影響；侯煒[11]等基于管冷系統作用下入模溫度及對流系數對大體積混凝土結構水化熱的影響；耿鳴山[12]等通過有限元計算分析大體積承臺水化熱產生溫度應力場，證明混凝土結構中埋置冷卻管可以有效減小結構澆筑早期表面開裂風險。

在實際工程中，管冷系統對大體積混凝土的冷卻效果，以及系統合理化設計依然需要深入研究，因此，本文基于河溝大橋主墩承臺，通過有限元模擬，分析大體積承臺受管冷系統作用時，溫度及應力變化規律，優化管冷系統設計，指導本項目施工的同時，以期對以后實際工程施工提供參考。

1 工程概況

本文依托大體積承臺平面尺寸為25.5m×13m，厚度為3.5m，所用C30 混凝土共計1160.3m3，內部埋置冷卻水管（兩層），冷卻水入管口溫度15℃，冷卻管直徑取50mm，冷卻水流量為1.2m3/h，作用時間為192h，具體尺度見圖1，承臺澆筑后兩周內平均溫度為15℃。

圖1 主墩承臺冷卻水管平面布置圖（cm）

2 承臺有限元模型建立

該承臺使用C30 混凝土澆筑，水泥（C）類型為42.5普通硅酸鹽水泥，使用粗骨料（G）為最大粒徑31.5mm 的碎石，細骨料為（S）為天然砂，細度模數為2.9，砂率為43%，使用水（W）為自來水，水膠比為0.43，粉煤灰（FA）為Ⅱ級粉煤灰，減水劑（WR）為聚羧酸高性能減水劑。該配合比下的混凝土強度為39.8MPa，坍落度為150mm。配合比及模型參數表1及表2：

表1 混凝土配合比

表2 材料熱力學參數

本文在模型計算過程中將冷卻管與混凝土接觸面作為第一類邊界條件；離承臺較遠的土體外表面幾乎不傳熱，可近似視為絕熱邊界，為第二類邊界條件；將承臺外表面及土體的上表面作第三類邊界條件處理；將承臺和土體的接觸面即為第四類邊界條件。

3 管冷系統冷卻效果分析

依托項目采用管冷系統進行混凝土冷卻。選取模型上表面中心（A 點）及承臺幾何中心（B 點）為兩個特征點進行分析，詳見圖2，溫度場及應力計算見圖3、圖4。

圖2 承臺1/4有限元模型

圖3 有無管冷系統時承臺溫度對比圖

圖4 有無管冷系統時承臺應力對比圖

由圖3 可以看出，當大體積承臺內部布置冷卻管時，上表面溫度峰值幾乎沒有變化，但是降溫速率明顯加快，最大增加0.05℃/h，核心區溫度峰值減低28.7℃，最大降溫速率增加0.17℃/h，最大里表溫差由42.4℃降低至20.5℃，減小了51.7%。由圖4可以看出，結構內部有冷水循環作用時，表面最大拉應力減少1.76MPa，內部最大壓應力減小2.88MPa，說明管冷系統對于大體積混凝土水化熱溫度控制效果良好，可加速冷卻，減小混凝土里表溫差，防止結構早期開裂。

4 冷卻水入管口溫度分析

本文依據實際冷卻水入管口溫度15℃，將該變量劃分為0℃，5℃，10℃，15℃及20℃，在實際工程中可以在承臺外部水管周圍纏繞管道加熱線用以提高冷卻水入管口溫度，或在儲水箱中定期加入冰塊以降低冷卻水入管口溫度，計算結果見圖5～圖8。

圖5 不同入管溫度下A點溫度時程曲線

圖6 不同入管溫度下B點溫度時程曲線

圖7 不同入管溫度下A點應力時程曲線

圖8 不同入管溫度下B點應力時程曲線

從圖5～圖8 可看出，冷卻水入管口溫度降低對于承臺表面的溫度峰值沒有影響，對于核心區混凝土，隨著冷卻水溫度降低，管體與周圍混凝土溫差增大，帶走熱量越多，混凝土內部降溫速率加快，里表溫差減小。入管口溫度每降低4℃，核心區混凝土溫度峰值平均降低1.6℃，里表溫差減少1.7℃，降溫速率增加0.02℃/h，表面最大拉應力減小0.11MPa，內部最大壓應力減小0.28MPa。

雖然減小冷卻水溫度有助于大體積混凝土結構內部散熱，減小混凝土開裂的風險，但是冷卻水溫度過小，管體周圍會產生較大拉應力，因此，建議入管口溫度與承臺內部最高溫度差值應控制在25℃之內，必要時可以加熱冷卻水，從圖8 可看出持續冷水循環會導致后期結構內部出現拉應力，建議在內部溫度開始下降2～3d后或混凝土內部最高溫度與環境溫度差值在15℃之內時，關閉冷卻系統。

5 冷卻管直徑分析

本文依據依托工程實際采用Φ50mm 金屬冷卻管，將水管直徑劃分為10mm、30mm、50mm、70mm及90mm，分別考慮下其對大體積混凝土承臺降溫效果的影響。計算結果見圖9～圖12。

圖9 不同管粗時A點溫度時程曲線

由圖9 可見，適當增加冷卻管直徑可以起到加速冷卻混凝土的效果，較好的防止大體積混凝土結構開裂。這是由于冷卻管直徑越大，單位時間內通過的截面的液體流量越多，冷卻水吸收的熱量也越大，冷卻效果更好。由于冷卻水流量一定，冷卻管越粗，液體流速越慢，故此冷卻管直徑與其冷卻效果不成正比例關系，見圖10～圖12，直徑由10mm 增加至50mm 時，最大里表溫差減小3.5℃，承臺表面最大拉應力減少0.42MPa，內部最大壓應力減少0.51MPa，直徑超過50mm時，每增加20mm，里表溫差減小量相近，平均減少0.6℃，表面最大拉應力平均減少0.03MPa，核心區最大壓應力平均減少0.03MPa，考慮到增加冷卻管直徑，會增加管壁材料的使用量，造價會更高，且直徑過大，不便于安裝，直徑太小，后期管道不易填堵，基于規范[13]，綜合考慮，選擇直徑為50mm的冷卻管較為合理。

圖10 不同管粗時里表溫差曲線

圖11 不同管粗時A點應力時程曲線

圖12 不同管粗時B點應力時程曲線

6 結論

⑴管冷系統可以很好的幫助大體積混凝土結構降溫，防止其早期開裂，在本實驗背景下，安裝管冷系統后，結構內部降溫速率最快增加0.17℃/h，最大里表溫差減小21.9℃，表面最大拉應力減小1.76MPa，內部最大壓應力減小了2.88MPa。

⑵降低冷卻水入管口溫度有利于混凝土內部降溫，入管口溫度每減少4℃，里表溫差減小1.7℃，表面最大拉應力減小0.11MPa，內部最大壓應力減小0.28MPa。冷卻水溫度應與承臺內部最高溫度應控制在25℃之內，不易過冷，當承臺溫度開始下降2～3d 后或最高溫度與環境溫度差值≤15℃時，需關閉管冷系統。

⑶適當增大冷卻管直徑可以減小混凝土內部溫度峰值及應力，當直徑超過50mm 時，增大直徑對承臺里表溫差及應力的影響減小，考慮到工程實際，建議選取50mm直徑冷卻管。