大體積混凝土冷卻管布置方式對施工溫控的影響分析

拓筱楊

（新疆昌吉方匯水電設計有限公司，新疆 昌吉831100）

1 引言

在進行大體積混凝土澆筑時，經(jīng)常會遇到混凝土溫度過高的問題，會對混凝土澆筑質量產(chǎn)生較為嚴重的影響，因此，在進行大體積混凝土澆筑時，對混凝土采取一定的降溫措施是十分重要的。目前，在工程施工過程中使用冷卻水管進行降溫是一種常用的方法。章景濤等[1]使用數(shù)值模擬方法對澆筑大體積混凝土泵站時的溫度控制方法進行研究，認為可以從結構調整、施工分塊、摻外加劑三個方面進行溫度控制，經(jīng)過實例印證，效果較好；伍達明等[2]從施工方面進行分析，提出了一種新的施工工藝，可以較好地解決大體積混凝土澆筑時溫度較高的問題；李之達等[3]對采用水冷措施進行混凝土冷卻時，混凝土結構內部溫度場的分布特征進行研究；劉鵬[4]以某大型橋梁承臺大體積混凝土澆筑為例，提出了一種總體施工溫控方案，有效減小了混凝土澆筑時的內外溫度差；何夕平等[5]使用數(shù)值模擬方法對水管冷卻法在混凝土澆筑時對混凝土材料基礎溫度場的影響作用進行分析；常世華[6]對不同水管埋設方式對混凝土降溫效果的影響進行了研究；商桑等[7]對拱壩澆筑過程中，影響混凝土降溫的主要因素進行研究，并提出了最優(yōu)的降溫方案，在工程實踐中取得了較好的效果；郭華偉等對[8]冷卻水管損壞后對混凝土澆筑質量的影響機制進行分析，建議在澆筑期間需要保證冷卻水管的完整性；王毅等[9]對通風冷卻方法在混凝土降溫中的效果進行分析，低風溫、小截面情況下，效果較好；吳桐舟等[10]對混凝土徐變情況下，結構內部的溫度場分布特征進行研究，混凝土徐變對溫度的影響隨著水管冷卻時長的正常而減小。

本文以實際工程為例，不同的水管布置方式對大體積混凝土壩澆筑過程中的溫度場—應力場變化特征進行研究。

2 混凝土溫度計算原理

2.1 混凝土結構溫度場

混凝土澆筑時，在水泥的水化熱作用下，混凝土內部的溫度不是恒定的，隨著時間的變化，混凝土結構內部的溫度也將產(chǎn)生改變。可以近似認為，混凝土內部存在熱源，熱源進行熱傳導導致溫度發(fā)生變化。溫度場在一個區(qū)域R內應該滿足以下條件:

式中:T表示混凝土溫度；a表示混凝土的導熱系數(shù)；τ表示時間；θ表示混凝土絕熱溫升。

當使用水管進行混凝土降溫時，熱傳導方程為:

式中:T0表示混凝土初始溫度；Tw表示進口位置冷水的溫度；θ0表示混凝土最終絕熱溫升；φ、ψ分別表示和水管冷卻效果有關的函數(shù)。

2.2 溫度應力

在混凝土內部，由于混凝土初始溫度和最終穩(wěn)定溫度不同，會造成混凝土內部存在溫差，溫差的存在會引起混凝土內部形成溫度應力，計算公式如下:

式中:Kp表示應力松弛系數(shù)（由于混凝土徐變引發(fā)）；R表示基礎約束系數(shù)；EC混凝土彈性模量；α表示溫度線膨脹系數(shù)；μ表示泊松比；k表示混凝土澆筑初期溫升的折減系數(shù)；B表示水化熱溫度應力系數(shù)；Tf表示水化熱形成的溫升；c表示體積形變影響系數(shù)；ε0表示初始應變。

3 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)選取

3.1 模型建立

某重力壩工程屬于1級建筑物，使用冷水管對混凝土澆筑過程中溫度進行控制，布置方案如下:2 m×2 m；2 m×1 m；1 m×1 m。同時和不通水降溫情況下混凝土澆筑的溫度變化進行對比，分析多種方式下混凝土結構內部的溫度場和應力場變化特征。采用冷水管降溫方式的方案，在完成混凝土澆筑工作后，仍然需要通水10 d，進水口的冷卻水的溫度為10℃。冷水管布置方式見圖1，共鋪設5層冷卻水管。

圖1 冷水管布置方式

3.2 計算參數(shù)選取

使用ANSYS軟件進行大體積混凝土重力壩澆筑過程中的溫度變化模擬。首先獲取大壩內部溫度場的變化特征，導出熱分析數(shù)值模擬結果，作為溫度荷載導入應力場進行大壩內部應力場變化特征研究。各種材料參數(shù)取值見表1。

表1 數(shù)值模擬計算參數(shù)取值

3.3 混凝土徐變假定

在進行數(shù)值模擬分析時，混凝土徐變的計算公式如下:

式中:C 表示混凝土的徐變程度；t-τ表示持荷時間；k、A、B、D、α表示徐變擬合的參數(shù)。取值見表2。

表2 混凝土徐變各參數(shù)取值

4 數(shù)值模擬計算結果分析

4.1 溫度場變化特征

為分析未布置冷水管和不同冷水管布置方案的溫度場和應力場變化特征，在壩體內部和壩體表面各選取一個點來進行監(jiān)測分析。其中壩體內部點D1位于壩體澆筑過程中的第三層的中心點位置，表面監(jiān)測點D2位于第三澆筑層的右側角點。從開始澆筑第三層時開始對冷水管進行通水同時對溫度場變化進行監(jiān)測，通水時長為10 d，完成通水后繼續(xù)進行監(jiān)測。溫度場變化特征監(jiān)測結果見圖2。

從圖2監(jiān)測結果可以看出，不同方式下，混凝土結構內部的溫度均呈現(xiàn)出先上升后下降最終趨于穩(wěn)定的變化方式。冷卻水管的布置具有較好的降溫效果，當使用冷卻水管進行混凝土降溫處理時，澆筑混凝土的過程中混凝土重力壩內部最高溫度較不進行降溫處理低，且隨著冷卻水管布置密度的加大，降溫效果越明顯。使用1 m×1 m的冷卻水管布置方式，出現(xiàn)了混凝土溫度低于環(huán)境氣溫的情況，有可能造成混凝土產(chǎn)生裂縫。混凝土表面D2點的溫度變化與外界環(huán)境溫度變化一致。

圖2 內部監(jiān)測點D1溫度變化特征

4.2 應力場變化特征

對壩體混凝土澆筑后20 d內的應力變化情況進行分析，其中前10 d為混凝土澆筑完成后繼續(xù)通水降溫的過程，后10 d為停止通水降溫的后續(xù)變化過程。建立數(shù)值模擬模型后，對壩體平行水流方向的水平方向應力進行監(jiān)測，分析壩體內部應力的變化特征。

不同方式下壩體內部監(jiān)測點D1的平行水流方向的水平方向應力變化過程見圖3。由圖3可知，內部監(jiān)測點D1在施工過程中、施工完成后均承受壓應力。采用降溫措施對混凝土進行降溫后，壩體內承受的壓應力均有一定程度的降低，壩體澆筑的混凝土材料溫度的降低，有利于緩解壩體內部的應力緊張狀態(tài)。

不同方式下壩體表面監(jiān)測點D2的平行水流方向的水平方向應力變化過程見圖4。從圖4可以得知，表面監(jiān)測點D2在施工過程中、施工完成后均承受拉應力，主要原因是混凝土內部溫度與外部環(huán)境之間存在的溫差。第31天，由于新一層澆筑的開始造成壩體盈利突變。當使用1 m×1 m的方式布置冷卻水管時，拉應力最大，因此，冷卻水管布置較密集，混凝土溫度變化較為劇烈，限制了混凝土徐變的作用，使得表面承受較大的拉應力。

不同方式下壩體表面監(jiān)測點D2的最大拉應力變化過程見圖5。由圖5可知，表面監(jiān)測點D2在施工過程中、施工完成后均承受拉應力，拉應力隨著時間逐漸增大，其中使用1 m×1 m的方式布置冷卻水管時，壩體表面最大拉應力增加最大，超過2.1 MPa，大于澆筑混凝土的抗拉強度，說明壩體表面會形成拉裂縫。

圖3 內部監(jiān)測點D1水流方向的水平方向應力變化特征

圖4 表面監(jiān)測點D2水流方向的水平方向應力變化特征

圖5 表面監(jiān)測點D2最大拉應力變化特征

5 結論

（1）使用冷卻水管對大體積混凝土重力壩澆筑時的溫度控制具有較好的效果，隨著冷卻水管布置的密集度增加，冷卻效果越高，但冷卻管布置過密時，則會造成混凝土溫度低于環(huán)境溫度，降低混凝土澆筑質量。

（2）當冷卻管布置過密時，造成混凝土壩體表面承受較大的拉應力，超過混凝土抗拉強度時則會引起表面產(chǎn)生裂紋，2 m×1 m為較好的冷卻管布置方式，可為類似工程提供參考。