大體積混凝土水管冷卻效果影響因素分析

劉宸巖

（西安市地下鐵道有限責任公司，陜西 西安 710018）

大體積混凝土水管冷卻效果影響因素分析

劉宸巖

（西安市地下鐵道有限責任公司，陜西 西安 710018）

為有效發揮大體積混凝土結構中冷卻水管的控溫作用，利用有限元軟件 MIDAS/CIVIL，對埋設冷卻水管的大體積混凝土的溫度場進行仿真計算，分析水管的管徑、水管間距、管材和冷卻水溫等因素對溫度場的影響，對大體積混凝土水管冷卻效果影響因素進行分析。

大體積混凝土 水管冷卻 溫度場 水化熱

為有效地發揮冷卻水管在大體積混凝土結構中的作用，需計算冷卻水管的各項參數，以確定更合理的布置方案。由于大體積混凝土結構中水泥水化生熱率、熱流率 、熱邊界條件及內部冷卻水管與混凝土的熱交換等因素都會隨時間起明顯變化，使整個混凝土體的溫度場變得非常復雜[1,2,3]。

初期冷卻溫控的最終目的就是通過溫控措施降低混凝土的最高溫升，使混凝土溫度場更趨于均勻，以防止出現過大的溫度剃度導致溫度裂縫[4，5]。為了得出影響初期冷卻效果的主要因素，我們將對影響冷卻水管的各項參數進行分析。水管冷卻效果影響因素的分析主要包括水管的管徑、水管間距、管材和冷卻水溫等。

1 計算模型和計算參數

1.1 計算模型

大體積混凝土水管冷卻分析是為了分析各種溫控措施對溫度場影響，給實際工程的仿真計算提供有益參考。計算模型是以某大體積混凝土結構為原型，計算模型如圖1-1。

圖1 -1計算模型與坐標系

1.2 計算參數

溫控仿真計算采用的主要參數如下:

表1 -1 混凝土與基巖熱學參數值

2 水管冷卻效果影響因素分析

2.1 冷卻水管直徑對冷卻效果的影響

冷卻水管采用聚苯乙烯塑料管，水管半徑分別采用r1 = 0.008m、水管間距采用1.5m× 1.5m，冷卻水溫 12℃，澆筑兩天后開始通水，通水流量，冷卻時間 14天。取結構中心點溫度歷時曲線，計算結果如下圖2-1：

圖2 -1不同管徑對冷卻效果的影響

2.2 冷卻水管間距對冷卻效果的影響

采用1.0m1.0m× 、1.0m1.5m× 、1.5m1.5m× 、1.0m 3.0m× 間距的冷卻水管排列方式，冷卻水溫12℃，通水流量，冷卻時間14天。取結構中心點溫度歷時曲線，計算結果如下圖2-2：

圖2 -2不同水管間距對冷卻效果的影響

2.3 冷卻水管材料特性對冷卻效果的影響

冷卻水管材料分別選用鐵管和和高聚乙烯泡沫管，兩者的導熱系數分別為，水管間距采用1.5m × 1.5m，冷卻水溫12℃，通水流量，冷卻時間14天。取結構中心點溫度歷時曲線，計算結果見下圖2-3：

圖2 -3不同管材對冷卻效果的影響

2.4 冷卻水溫對冷卻效果的影響

結構中水管水溫分別采用6℃、9℃、12℃、15℃，水管間距1.5m × 1.5m，澆筑兩天后開始通水，通水流量，冷卻時間14天。取結構中心點溫度歷時曲線，計算結果如下圖2-4：

圖2 -4不同冷卻水溫對冷卻效果的影響

3 結論

通過以上計算分析可以得出：通過增加管徑來加大冷卻速度或降低冷卻幅度效果不明顯；水管間距對冷卻效果比較明顯，但管距減小的同時也使管材耗量相應增加；管材的不同也會產生不同的冷卻效果，但因考慮成本和鋪設難度；冷卻水管通水水溫對結構施工期溫度場影響較大，特別是溫度較低的冷卻水，其降溫效果更明顯，但這樣會增大制冷的成本。由于混凝土溫度場是瞬態和非線性的，又受到冷卻水管和混凝土內部的熱交換、結構表面的散熱等因素的影響，大體積混凝土結構溫度場計算非常復雜和困難。本研究運用有限元法，對埋有冷卻水管的大體積混凝土溫度場進行三維仿真分析，為確定經濟合理的冷卻水管布置方案提供理論參考。

[1]彭立海.大體積混凝土溫控與防裂[M].北京：黃河水利出版社，2005

[2]王潤富，陳國榮．溫度場與溫度應力[M].北京：科學出版社，2005

[3]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京:中國電力出版社，1999

[4]趙立鵬，王新剛.埋有冷卻水管的大體積混凝土溫度場有限元分析[J].港工技術，2011，48（5）：36-40

[5]洪雷．混凝土性能及新型混凝土技術［M］．大連：大連理工大學出版社，2005

TU75

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1007-6344（2015）02-0126-01