郭三元， 黃彩萍， 肖衡林

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢　430068)

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后河大橋大體積混凝土承臺(tái)冷管控制及方案優(yōu)化

郭三元， 黃彩萍， 肖衡林

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢430068)

[摘要]在現(xiàn)有大體積混凝土冷管控制的基礎(chǔ)上，對(duì)某連續(xù)剛構(gòu)橋大體積混凝土承臺(tái)(12.4 m×12.2 m×4 m)，采用有限元軟件從冷水管的間距、流量和類型3個(gè)方面了進(jìn)行方案優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果與原始方案進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果表明冷水管的間距、流量和類型都會(huì)影響冷管的降溫效果，最后得出針對(duì)該工程的最佳冷管控制方案。提出的冷管控制方案及分析計(jì)算方法為今后同類工程提供了有用的參考依據(jù)，也為今后開(kāi)展深入理論研究提供了基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]大體積混凝土； 冷管控制； 方案優(yōu)化； 有限元模擬

1概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，施工技術(shù)飛速的發(fā)展，大體積混凝土施工也得到了廣泛應(yīng)用[1]。由于大體積混凝土[2]自身的特殊性，在施工和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中依然存在著頗多問(wèn)題[3]。大體積混凝土在施工過(guò)程中存在著水化熱作用，會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)外較大溫差，容易產(chǎn)生溫度裂縫，從而對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，因此大體積混凝土在施工過(guò)程中有必要做好溫控措施，防止溫度裂縫出現(xiàn)。在大體積混凝土中布置冷卻水管[4，5]是施工過(guò)程中常用的一種溫控措施，在工程實(shí)踐中也取得了顯著效益。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展使得本領(lǐng)域的一些問(wèn)題得到了成功的分析與解決[6]。本文采用Midas/Civil程序軟件[7]，針對(duì)后河大橋大體積混凝土溫控的冷水管布置方案，從冷水管的間距、流量、類型3個(gè)方面了進(jìn)行方案優(yōu)化，并分析了這3個(gè)方面對(duì)溫控效果的影響。

2后河大橋大體積混凝土冷管控制

2.1工程簡(jiǎn)介

后河大橋位于十堰市境內(nèi)，跨越后河，主橋上部構(gòu)造為(67+120+67)m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，主墩墩身采用雙肢等截面實(shí)心薄壁結(jié)構(gòu)。承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸為12.4 m×12.2 m×4 m，采用C30泵送混凝土承臺(tái)混凝土一次澆筑成型。當(dāng)混凝土澆注高度超過(guò)冷卻水管20 cm時(shí)立即開(kāi)始通水，承臺(tái)澆筑成型7 d后停止通水。

2.2冷管布置方案

承臺(tái)的冷卻水管采用φ40 mm導(dǎo)熱性能良好的鋼管，在高度方向上布置四層冷卻水管，每層冷卻水管又分為多個(gè)獨(dú)立的循環(huán)管路，承臺(tái)冷卻水管的布置形式如圖1所示。

圖1　承臺(tái)冷管布置圖Figure 1　Plan of caps cooling pipes

2.3溫控效果計(jì)算

2.3.1計(jì)算模型

由于溫度傳感器布置在結(jié)構(gòu)的1/4剖面上，為了使本次模擬過(guò)程更接近實(shí)際情況和便于計(jì)算分析[8]，綜合考慮該承臺(tái)的施工方案、材料性質(zhì)、形狀尺寸等多種因素，采用Midas/Civil程序軟件計(jì)算分析，有限元建模模型圖如圖2所示，管冷布置模型圖如圖3所示。

2.3.2計(jì)算參數(shù)

混凝土相關(guān)參數(shù)如表1所示，有限元模擬計(jì)算重要參數(shù)如表2所示。

圖2　有限元計(jì)算模型圖Figure 2　Finite element model

圖3　冷管布置模型圖Figure 3　Cold pipe installation model

表1 混凝土相關(guān)參數(shù)Figure1 Relevantparametersofconcrete材料配合比W/kg百分比δ入罐溫度T/℃比熱c/(kJ·kg-1·℃-1)粉煤灰1400.05100.45水泥2700.11500.4砂7740.3280.69石10600.4480.71水1560.0684.18外加劑4.510.00284.187

表2 有限元模擬計(jì)算重要參數(shù)Figure2 ImportantparametersofFEM名稱參數(shù)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)8.914kJ/(m·h·℃)混凝土比熱0.899kJ/(kg·℃)混凝土澆筑溫度11.5℃最高絕熱升溫57.57℃混凝土的空氣中放熱系數(shù)63.09kJ/(m2·h·℃)地基邊界溫度10℃環(huán)境溫度和混凝土初溫20℃直徑(外徑)0.04m進(jìn)水溫度27～30℃出水溫度31～33℃流速3.0m3/h

2.3.3計(jì)算結(jié)果

由于大體積混凝土施工最大溫度一般出現(xiàn)在混凝土內(nèi)部中心，為探究冷管對(duì)溫控效果的影響，取中間層最大溫度為研究對(duì)象，把第二層中心點(diǎn)最大溫度時(shí)程曲線作為只考慮冷管因素情況下原方案混凝土內(nèi)部溫度時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4　原方案混凝土內(nèi)部溫度時(shí)程曲線圖Figure 4　Curve of time and temperature in the original 　　　concrete

為驗(yàn)證有限元模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，現(xiàn)將本次模擬計(jì)算結(jié)果與該承臺(tái)第二層中心點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)溫控實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖如圖5所示。

圖5　計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖Figure 5　Comparison chart of calculated and measured values

據(jù)圖5可知：計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值，兩者出現(xiàn)最大溫度時(shí)間非常接近，模擬和實(shí)測(cè)溫度值隨時(shí)間變化趨勢(shì)也基本一致，說(shuō)明有限元計(jì)算具有較高準(zhǔn)確性，能較好地計(jì)算出大體積混凝土內(nèi)部溫度的變化趨勢(shì)，可以優(yōu)化大體積混凝土施工方案和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工溫控。

3后河橋大體積混凝土冷管控制方案優(yōu)化

3.1冷管間距方案優(yōu)化

鑒于后河大橋大體積混凝土承臺(tái)施工冷管為間距160 cm的蛇形布置，如圖3所示，為探討冷管間距對(duì)溫控效果的影響，現(xiàn)分別將冷管間距為120 cm和200 cm并且其它因素不變的兩組有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析。冷管間距為120 cm的冷管布置模型圖如圖6所示，冷管間距為200 cm的冷管布置模型圖如圖7所示。

圖6　間距120 cm冷管布置模型圖Figure 6　120 cm spacing cold pipe installation model

圖7　間距200 cm冷管布置模型圖Figure 7　200 cm spacing cold pipe installation model

為了解不同冷管間距的溫控效果，將不同冷管間距的第二層最高溫度進(jìn)行對(duì)比分析，不同冷管間距的溫控效果對(duì)比圖如圖8所示。

圖8　不同冷管間距的溫控效果對(duì)比圖Figure 8　Different spacing temperature effect comparison chart

從圖8可以看出：不同冷管間距的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，溫度都是先迅速上升，后來(lái)緩慢小幅度下降，直至趨于平穩(wěn)。其中，冷管間距為160 cm的溫度最低，溫度峰值為54 ℃，溫度在52 ℃時(shí)趨于平穩(wěn)，降溫效果最佳；冷管間距為120 cm時(shí)，最大溫度為64 ℃，降溫效果較差。因此，可以認(rèn)為在冷管間距為160 cm左右時(shí)降溫效果較好。

3.2不同冷管流量方案溫控效果對(duì)比

后河大橋大體積混凝土承臺(tái)施工冷管的流量為3.0 m3/h，為探討冷管流量對(duì)溫控效果的影響，現(xiàn)分別將冷管流量為2.4 m3/h和3.6 m3/h并且其它因素不變的兩組有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析，不同冷管流量的溫控效果對(duì)比圖如圖9所示。

圖9　不同冷管流量的溫控效果對(duì)比圖Figure 9　Different flow temperature effect comparison chart

從圖9可以看出：不同冷管流量的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，溫度都是先迅速上升，后來(lái)緩慢小幅度下降，直至趨于平穩(wěn)。冷管流量為3.6 m3/h的溫度最低，溫度峰值為55 ℃，溫度在47 ℃時(shí)趨于平穩(wěn)；冷管流量為2.4 m3/h和3.0 m3/h的溫度值十分接近，相比冷管流量為3.6 m3/h略高，降溫效果較差。因此，可認(rèn)為當(dāng)冷管流量接近3.6 m3/h時(shí)溫控效果較好。

3.3冷管類型方案優(yōu)化

后河大橋大體積混凝土承臺(tái)施工冷管采用蛇形布置，如圖3所示，為探討冷管類型對(duì)溫控效果的影響，現(xiàn)分別將環(huán)形冷管和1/4獨(dú)立蛇形冷管并且其它因素不變的兩組有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析，環(huán)形冷管布置模型圖如圖10所示，四分之一獨(dú)立蛇形冷管布置模型如圖11所示，不同類型溫控效果對(duì)比圖如圖12所示。

圖10　環(huán)形冷管布置Figure 10　Circular cold pipe installation

圖11　四分之一獨(dú)立蛇形冷管布置Figure 11　1/4 independent serpentine cold pipe installation

圖12　不同冷管類型方案溫控效果對(duì)比圖Figure 12　Different type temperature effect comparison chart

從圖12可以看出：不同冷管流量的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，溫度都是先迅速上升，后來(lái)緩慢小幅度下降，直至趨于平穩(wěn)。其中，1/4獨(dú)立蛇形冷管布置溫度最低，溫度峰值為52 ℃，溫度在48 ℃時(shí)趨于平穩(wěn)，降溫效果最佳；環(huán)形冷管和蛇形冷管布置的溫度值比較接近，相比1/4獨(dú)立蛇形冷管略高，降溫效果較差。因此，可以認(rèn)為1/4獨(dú)立蛇形冷管溫控效果較好。

3.4針對(duì)后河大橋大體積混凝土承臺(tái)最佳溫控冷管方案

由上文可知，當(dāng)冷管間距為160 cm、冷管流量為3.6 m3/h和冷管類型為四分之一獨(dú)立蛇形布置時(shí)降溫效果最好，現(xiàn)在在此基礎(chǔ)上用有限元進(jìn)行計(jì)算分析，并與后河大橋大體積混凝施工方案溫控效果進(jìn)行比較，優(yōu)化方案與原方案溫控效果對(duì)比圖如圖13所示。

圖13　優(yōu)化方案與原方案溫控效果對(duì)比圖Figure 13　Optimization and the original temperature 　　　effect comparison chart

從圖13可以看出：優(yōu)化方案與原始方案的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，溫度都是先迅速上升，后來(lái)緩慢小幅度下降，直至趨于平穩(wěn)。優(yōu)化方案的最高溫度為49 ℃，比原始方案降低了3 ℃；優(yōu)化方案的平穩(wěn)溫度為47 ℃，比原始方案降低了5 ℃。說(shuō)明本優(yōu)化方案對(duì)該工程具有更好的降溫效果，具有借鑒意義，并為今后同類工程提供了有價(jià)值的參考信息。

4結(jié)論

① 通過(guò)對(duì)該橋大體積混凝土承臺(tái)溫控冷管方案的優(yōu)化，得出降溫效果較好的冷管間距、冷管流量和冷管類型方案，針對(duì)本工程提出了溫控效果更好的冷管控制方案。

② 以該橋的溫控冷管方案為藍(lán)本，驗(yàn)證了有限元分析計(jì)算的準(zhǔn)確性，展示了一種較為良好的溫控冷管控制方案和計(jì)算分析方法，為今后同類工程提供了有用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也為今后開(kāi)展深入理論研究提供了參考依據(jù)。

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Control and Optimization of After Rirer’s Mass Concrete Pile Cap Cooling Tube

GUO Sanyuan， HUANG Caiping， XIAO Henglin

(School of Civil Engin.and Architecture， Hubei Univ.of Tech.， Wuhan， Hubei 430068， China)

[Abstract]In this article，on the basis of the existing large volume of control on the cold concrete，on a continuous rigid frame bridge massive concrete pile cap(12.4 m×12.2 m×4 m)，using the finite element software，conducting optimization from the cold water pipe spacing，traffic and the type of the three aspects，and program optimization results were compared with the original，the results show spacing cold water pipe，the flow and type will affect the cooling effect of the cold pipe.Finally，optimum cooling tube control scheme for the project.Cold and calculating method of control schemes analyzed in this paper provide a useful reference for similar projects in the future and a useful reference for similar projects in the future.

[Key words]mass concrete； cooling tube control； optimization； finite element simulation

[中圖分類號(hào)]U 445.4

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674—0610(2016)02—0136—04

[作者簡(jiǎn)介]郭三元(1987—)，男，湖北武漢人，研究生，研究方向?yàn)閹r土工程。[通訊作者] 黃彩萍(E-mail：115061081@qq.com).

[基金項(xiàng)目]教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-11-0962)，湖北省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2012FFB00606)，湖北工業(yè)大學(xué)高層次人才項(xiàng)目(BSQD12054)

[收稿日期]2015—02—04