承台大体积混凝土水化热分析与冷水管参数影响研究

肖琦军

重庆交通大学  重庆 400074

摘要：本文以某大体积混凝土桥梁承台为研究对象，利用MIDASFEANX有限元分析软件建立水化热分析模型，通过调整冷水管相关参数，研究不同参数对大体积混凝土水化热的影响，以此达到控制混凝土内外温差的目的，防止承台温度裂缝的产生。结果表明：通过对冷管参数进行参数化分析，选取适当的参数设置，可以有效降低水化热温度，承台施工时，冷水管直径选取30mm，流入温度控制在15℃、进水流量控制在8m3/h时，达到了符合预期的冷却效果。

关键词：大体积混凝土；水化热；有限元仿真；冷水管

0引言

大体积混凝土尺寸较大，其浇筑过程中胶凝材料与水发生反应产生大量热量，混凝土结构内外散热速度的不同导致结构出现巨大温差，在内外约束作用下产生温度应力，温度应力超限会严重影响到混凝土结构的承载能力、安全性和耐久性。本文利用MIDAS FEA NX有限元软件仿真计算某承台施工阶段水化热，模拟计算出内部温度场的变化，确布设冷却水管的必要性，同时分析冷水管参数对水化热的影响，为实际施工及类似工程提供参考。

1工程概况

某大跨连续刚构桥主桥全长420m，桥面净宽11.5m，最大墩高110.23m。地基尺寸为24m×24m×3m，承台厚度为5.4m，平面尺寸为18.6m×18.6m，承台浇筑体积1868.184m3，属于大体积混凝土，该承台浇筑时分三层浇筑。

2有限元模型的建立

2.1材料参数

承台混凝土选C40混凝土，28d抗压强度为36Mpa、抗拉强度2.4Mpa、比热0.92kJ·(kg·K)-1、导热系数2.6W·(m·k)-1。

2.2温度参数

(1)最大绝热温升

混凝土最大绝热温升值按照标准规范下式计算：

(1.2)

式中：W—每立方米混凝土的胶凝材料用量；

C—混凝土的比热容；

Q—每千克水泥水化热量；

ρ—混凝土的质量密度；

Tmax—混凝土最大绝热温升。

(2)环境温度设置为恒定值20℃，混凝土入模温度同为20℃。

3计算结果分析

3.1有无冷却水管水化热对比

承台模型中，冷水管采用蛇形布设方式，水平横向间距0.9m，每个浇筑层设置两层冷水管，同层冷水管竖向间距0.6m，不同层冷水管竖向间距1.2m，冷水管采用外径40mm，壁厚2.5mm的钢管，承台每层冷水管有一个入水口和一个出水口，流入温度设置为15℃，渗流率为8m3/h。

计算结果表明承台内部温度比表层高，并且随着与表面的距离越小，混凝土温度越小，原因是混凝土在浇筑时水泥发生水化反应产生巨大的热量，并且热量很难快速释放掉，表层与外界空气接触，容易与冷空气产生热量交换，加上内部降温措施不足，因此出现内部温度高、表面温度低的现象[1]。

该无冷水管承台浇筑时各施工阶段的最大温度分别达到了77.38℃、88.21℃、90.07℃，而大体积混凝土施工温控指标规定浇筑体在入模温度基础上的温升值不宜大于50℃，水化热温升值严重超限。而有冷水管承台水化热各阶段最高温度分别为59.45℃、60.69℃、58.42℃，与无冷管承台最高温度相比，各阶段分别降低了23.17%、31.20%、35.14%，温升值符合规定限值。可见布设冷水管达到了明显的降温效果，有效降低了承台水化热温度峰值。

3.2冷水管参数分析

3.2.1冷水管直径

保持流入温度为15℃，渗流率为8m3/h，分别设置冷水管直径为20mm、30mm、40mm、50mm、60mm，不同冷水管直径下的有限元仿真分析结果见表2。

表 1  不同冷水管直径下仿真结果

直径/mm	最高温度（阶段1）/℃	最高温度（阶段2）/℃	最高温度（阶段3）/℃
20	60.68	62.14	59.51
30	59.79	61.12	58.80
40	59.45	60.69	58.42
50	59.23	60.44	58.18
60	59.08	60.28	58.01

由表1可知，各施工阶段的水化热温度峰值随着冷水管直径的增大而降低。直径由20mm增加到30mm，各阶段温度峰值分别降低了1.47%、1.64%、1.19%，此时冷却效果更好，且随着冷水管直径的逐渐增大，冷却效果越来越差。考虑到工程经济效益，实际施工时冷水管直径采用30mm。

3.2.2流入温度

保持冷水管直径为40mm，渗流率为渗流率为8m3/h，对比流入温度为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃时三个施工阶段的水化热温度峰值，仿真计算结果见表3。

表 2  不同流入温度下仿真结果

流入温度/℃	最高温度（阶段1）/℃	最高温度（阶段2）/℃	最高温度（阶段3）/℃
5	57.15	57.92	55.72
10	58.30	59.31	57.07
15	59.45	60.69	58.42
20	60.99	62.59	59.78
25	62.67	64.63	61.31

由表2可知，冷水管冷水流入温度越低，温度峰值越低，且流入温度每降低5℃，各施工阶段的温度峰值就会降低2%~3%。一般来说，管冷温度越低，混凝土与冷水管之间的热交换越大，大体积混凝土结构的降温效果越好

[2]，但是要对流入温度进行控制，不能为了追求水化热降低而盲目降低水温，若冷水管温度与大体积混凝土结构内部温度差距过大，会导致结构产生较大温度应力而出现温度裂缝，影响结构安全性和耐久性。

3.2.3渗流率

保持冷水管直径为40mm，流入温度为15℃，分别设置冷水管渗流率为6m3/h、7m3/h、8m3/h、9m3/h、10m3/h，研究不同渗流率对承台水化热峰值温度的影响。

MIDASFEA计算结果显示各阶段温度峰值随着渗流率增大而降低，渗流率每增加1m3/h，温度峰值降低的平均值为0.04℃，渗流率由7m3/h增加到8m3/h时，施工阶段3的温度峰值由58.46℃降低到58.40℃，降温效果最大，但也仅降低了0.06℃。由此可知，冷管渗流率对承台水化热的影响很小。

4结论

本文利用有限元软件模拟某大体积混凝土承台的水化热，对冷水管进行参数影响分析，通过有限元仿真分析，得到以下结论：

（1）MIDASFEANX软件可以很好的模拟计算出大体积混凝土的水化热温度，并且可以实现对冷水管参数选取的优化，具有较高的精度，对大体积混凝土施工具有一定的指导作用。

（2）承台各施工阶段的水化热温度峰值随着冷水管直径的增大、流入温度的降低以及渗流率的增大而降低。将冷水管直径由20mm增大到30mm时降温效果明显，且流入温度每降低5℃，各施工阶段的温度峰值就会降低2%~3%，而渗流率对水化热温度的影响并不显著。除了控制本文分析的三种参数外，还可对冷水管的布设形式、布设层数、布设间距等进行考虑，对冷水管布设进一步优化。

参考文献

[1]蔡影.基于MIDASFEANX的大体积混凝土水化热分析[J].江西建材,2022,(06):172-175.

[2]王龙,鲁乃唯,王柏文.大体积混凝土承台水化热分析及管冷参数优化[J].工程建设,2019,51(04):1-5+17.