某大體積混凝土承臺(tái)水化熱仿真分析與溫度控制

周禮庚

中交三航局興安基建筑工程有限公司 上海 201315

大體積混凝土廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑、橋梁等工程之中。水泥在硬化過程中會(huì)發(fā)生水化、水解和結(jié)晶等物理化學(xué)變化，導(dǎo)致混凝土釋放大量的熱量，從而使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外出現(xiàn)溫差，繼而產(chǎn)生裂縫[1]。最早對(duì)大體積混凝土水化熱進(jìn)行研究的是20世紀(jì)30年代的胡佛大壩工程[2]。大體積混凝土因水化熱產(chǎn)生裂縫的本質(zhì)原因是混凝土內(nèi)部的熱量無法快速散失，內(nèi)外溫差過大。因此，控制大體積混凝土裂縫可以從降低內(nèi)部溫度著手。

陳昌哲等[3]基于CFD數(shù)值仿真方法，研究了冷卻水管對(duì)大體積混凝土內(nèi)部降溫的效果，通過改變冷卻水管間距、層高等參數(shù)，總結(jié)出了針對(duì)特定項(xiàng)目的最佳降溫方案。

程華強(qiáng)等[4]在某大橋啞鈴形大體積承臺(tái)混凝土抗裂研究中，試驗(yàn)了冷卻水管對(duì)降低混凝土水化熱溫升的效果，試驗(yàn)結(jié)果表明合理設(shè)置冷卻水管可以起到較好的降溫效果。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，數(shù)值仿真模擬已廣泛應(yīng)用于大體積混凝土水化熱的研究之中。

朱伯芳[5]首次提出采用有限元結(jié)合熱傳導(dǎo)方程的方法來模擬冷卻水管的降溫效果，克服了在采用有限元法模擬冷卻水管時(shí)需要增加大量節(jié)點(diǎn)的困難，大幅減小了計(jì)算體量。

在工程應(yīng)用領(lǐng)域，合理降低大體積混凝土溫升是確保大體量混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。借助數(shù)值仿真技術(shù)預(yù)測(cè)大體積混凝土溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，預(yù)測(cè)冷卻水管的布置對(duì)大體積混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，可為采用大體積混凝土的結(jié)構(gòu)施工提供理論依據(jù)。

1 工程概況

本文所研究的混凝土承臺(tái)為某75 m＋135 m＋75 m大橋的承臺(tái)。該承臺(tái)為六邊形，寬度為12.75 m，長(zhǎng)邊為18.40 m，中線長(zhǎng)度為26.25 m，混凝土厚度為3.5 m?；炷敛捎肅35，為減小水化熱，采用普通硅酸鹽水泥。承臺(tái)水平分2層澆筑，每層澆筑厚度為1.75 m，每澆筑一層后間隔7 d左右再澆筑第二層，嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行施工縫的處理。水化熱控制不佳是導(dǎo)致大體積混凝土開裂，造成大體積混凝土質(zhì)量事故的最主要原因。因此，大體積混凝土澆筑以及養(yǎng)護(hù)期間的溫度控制是確保大體積混凝土施工質(zhì)量的關(guān)鍵。按照YBJ 224—1991《塊體基礎(chǔ)大體積混凝土施工技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，必須采取相關(guān)措施降低大體積混凝土中心與表面的溫差。

本工程采用冷卻水管對(duì)混凝土承臺(tái)進(jìn)行降溫，冷卻水管的平面布置如圖1所示。冷卻水管采用具有一定強(qiáng)度、內(nèi)徑為32 mm的輸水管，連續(xù)通水，每個(gè)出水口的流量為10～20 L/min，降溫過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控混凝土中心及表面溫差，以及進(jìn)出水口的溫度。第1層冷卻水管距離承臺(tái)地面為0.75 m，第2層冷卻水管距離第1層1.75 m。冷卻水管的平面布置如圖1所示，立剖面布置如圖2所示。為便于研究分析混凝土內(nèi)部溫度的變化情況，在混凝土內(nèi)部選取3個(gè)測(cè)溫軸進(jìn)行溫度記錄，每個(gè)測(cè)溫軸設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)溫軸的布置如圖3所示。

圖1 冷卻水管平面布置

圖2 承臺(tái)立剖面

圖3 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2 承臺(tái)溫度場(chǎng)仿真分析

為全面了解大體積混凝土承臺(tái)溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的分布，為水化熱溫控提供理論指導(dǎo)，預(yù)先對(duì)混凝土承臺(tái)的內(nèi)部溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。通過有限元仿真分析并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，為合理布置冷卻水管提供理論指導(dǎo)。在仿真計(jì)算中，混凝土材料的彈性模量取為2.7×104MPa，容重取為2 400 kg/m3，熱擴(kuò)散系數(shù)為0.07 m2/d，比熱容為1.04 kJ/（kg·K），絕熱溫升取為33 K。計(jì)算過程中，考慮混凝土收縮、徐變對(duì)穩(wěn)定應(yīng)力的釋放效應(yīng)。

2.1 有限元仿真分析模型

根據(jù)施工方案，采用Midas FEA建立有限元三維實(shí)體溫度場(chǎng)分析模型，預(yù)測(cè)未采取人工干預(yù)措施的情況下，承臺(tái)內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況。模型包含節(jié)點(diǎn)31 534個(gè)，三維實(shí)體單元170 981個(gè)?；炷练?次完成澆筑，在計(jì)算模型中通過約束側(cè)面節(jié)點(diǎn)平動(dòng)自由度的方式來模擬模板支護(hù)作用。除水泥水化熱效應(yīng)及重力之外，不考慮其他形式荷載作用。澆筑工況模型如圖4所示。

圖4 分析模型

2.2 仿真結(jié)果及分析

從有限元數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，第1次澆筑完成后第48小時(shí)，溫度到達(dá)了理論的最大值，即37.6 ℃，外部溫度約20 ℃，如圖5所示。隨著時(shí)間的推移，核心溫度逐步減小，第7天（即澆筑完成168 h）后，混凝土內(nèi)部的核心溫度降低至23 ℃，如圖6所示。

圖5 第1次澆筑完成48 h后溫度場(chǎng)

圖6 第1次澆筑完成168 h后溫度場(chǎng)

第2次混凝土澆筑完成之后，提取模型應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。由于混凝土散熱面的減少，混凝土內(nèi)部在澆筑后的48 h，核心溫度最高達(dá)到45.9 ℃，如圖7所示。溫度的散失較為緩慢，第2次澆筑后的第168 h（即第7天），混凝土核心溫度降低至29 ℃，如圖8所示。

圖7 第2次澆筑完成48 h后溫度場(chǎng)

圖8 第2次澆筑完成168 h后溫度場(chǎng)

3 承臺(tái)水冷降溫控制措施及效果

從上述計(jì)算結(jié)果中可以看出，在未采取相關(guān)措施的情況下，第2次混凝土澆筑之后，混凝土的核心溫度將最高達(dá)到45.9 ℃，為避免混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度裂縫，有必要采取措施來降低溫度。下面將按前文所述冷卻水管參數(shù)進(jìn)行溫度控制，通過有限元理論計(jì)算，論證方案的可行性。

3.1 水冷降溫有限元分析模型

按上述方案，采用Midas FEA重新建立水化熱數(shù)值分析模型，并將冷卻水管布置進(jìn)模型之中。按施工方案設(shè)置施工階段分析模型，冷卻水管的布置如圖9所示。荷載、邊界條件等參數(shù)與未設(shè)置冷卻水管的計(jì)算模型完全一致，此處不再贅述。

圖9 冷卻水管布置模型

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)前文未設(shè)置冷卻水管的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混凝土澆筑48 h后的水化熱達(dá)到峰值，核心溫度將達(dá)到最大值。因此，下文將提取設(shè)置冷卻水管條件下2次混凝土澆筑后的溫度場(chǎng)云圖，如圖10～圖13所示。

圖10 第1次澆筑48 h后溫度場(chǎng)

圖11 第1次澆筑168 h后溫度場(chǎng)

圖12 第2次澆筑48 h后溫度場(chǎng)

圖13 第2次澆筑168 h后溫度場(chǎng)

從計(jì)算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，通過冷卻水管的降溫作用，第1次澆筑的混凝土最高核心溫度從37.6 ℃降低到33.5 ℃；第2次澆筑的混凝土最高核心溫度從45.9 ℃降低到41.5 ℃，降溫效果顯著。從應(yīng)力云圖中可以明顯看出冷卻水管的作用，通過冷卻循環(huán)水循環(huán)不斷帶走混凝土內(nèi)部熱量。混凝土澆筑完成7 d后，混凝土內(nèi)、外溫度基本一致。

3.3 溫度監(jiān)測(cè)

對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，先要在混凝土澆筑之前按照溫度監(jiān)測(cè)方案對(duì)溫度傳感器進(jìn)行標(biāo)定，然后埋入傳感器，將傳感器信號(hào)接入電腦，最后對(duì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行整理分析。根據(jù)上述有限元仿真分析的數(shù)值計(jì)算結(jié)論，進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)傳感器的預(yù)埋工作。為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)混凝土溫度，傳感器一般布置在混凝土核心以及距離表面50 cm的位置，在監(jiān)測(cè)過程中還要對(duì)大氣溫度、混凝土入模溫度、澆筑溫度等參數(shù)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。澆筑完成后立即開展并持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作。

依次提取A—C軸從上到下的2個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度值繪制時(shí)間曲線，如圖14所示。從溫度曲線中可以看出，越是中心區(qū)域，溫度越高，同一個(gè)溫度軸靠近中心區(qū)域的溫度較邊緣測(cè)點(diǎn)的溫度高，即混凝土核心溫度隨著距離中心的擴(kuò)大而減小?；炷翝仓戤吅?～3 d是混凝土核心溫度最高的時(shí)間，隨著時(shí)間的推移，溫度逐步降低并趨于穩(wěn)定。

圖14 監(jiān)測(cè)軸溫度變化曲線

4 結(jié)語

本文通過有限元數(shù)值仿真分析軟件，對(duì)某承臺(tái)設(shè)置了循環(huán)冷卻水和未設(shè)置循環(huán)冷卻水2種工況進(jìn)行水化熱溫度場(chǎng)計(jì)算。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，混凝土澆筑完后一段時(shí)間內(nèi)水化熱劇烈，混凝土急速升溫，達(dá)到峰值后逐步降溫。計(jì)算結(jié)果表明，合理設(shè)置循環(huán)冷卻水對(duì)降低混凝土核心溫度效果顯著。理論數(shù)值計(jì)算對(duì)于預(yù)測(cè)大體積混凝土溫度場(chǎng)具有前瞻性和可行性，本文研究成果可為類似工程提供參考。