后河大桥大体积混凝土承台冷管控制及方案优化

郭三元， 黄彩萍， 肖衡林

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉　430068)



后河大桥大体积混凝土承台冷管控制及方案优化

郭三元， 黄彩萍， 肖衡林

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉430068)

[摘要]在现有大体积混凝土冷管控制的基础上，对某连续刚构桥大体积混凝土承台(12.4 m×12.2 m×4 m)，采用有限元软件从冷水管的间距、流量和类型3个方面了进行方案优化，并将优化结果与原始方案进行对比分析，分析结果表明冷水管的间距、流量和类型都会影响冷管的降温效果，最后得出针对该工程的最佳冷管控制方案。提出的冷管控制方案及分析计算方法为今后同类工程提供了有用的参考依据，也为今后开展深入理论研究提供了基础。

[关键词]大体积混凝土； 冷管控制； 方案优化； 有限元模拟

1概述

随着我国经济建设步伐的加快，施工技术飞速的发展，大体积混凝土施工也得到了广泛应用[1]。由于大体积混凝土[2]自身的特殊性，在施工和养护过程中依然存在着颇多问题[3]。大体积混凝土在施工过程中存在着水化热作用，会引起结构内外较大温差，容易产生温度裂缝，从而对混凝土结构产生较大影响，因此大体积混凝土在施工过程中有必要做好温控措施，防止温度裂缝出现。在大体积混凝土中布置冷却水管[4，5]是施工过程中常用的一种温控措施，在工程实践中也取得了显著效益。近年来，计算机技术的快速发展使得本领域的一些问题得到了成功的分析与解决[6]。本文采用Midas/Civil程序软件[7]，针对后河大桥大体积混凝土温控的冷水管布置方案，从冷水管的间距、流量、类型3个方面了进行方案优化，并分析了这3个方面对温控效果的影响。

2后河大桥大体积混凝土冷管控制

2.1工程简介

后河大桥位于十堰市境内，跨越后河，主桥上部构造为(67+120+67)m三跨预应力混凝土连续刚构，主墩墩身采用双肢等截面实心薄壁结构。承台结构尺寸为12.4 m×12.2 m×4 m，采用C30泵送混凝土承台混凝土一次浇筑成型。当混凝土浇注高度超过冷却水管20 cm时立即开始通水，承台浇筑成型7 d后停止通水。

2.2冷管布置方案

承台的冷却水管采用φ40 mm导热性能良好的钢管，在高度方向上布置四层冷却水管，每层冷却水管又分为多个独立的循环管路，承台冷却水管的布置形式如图1所示。

图1　承台冷管布置图Figure 1　Plan of caps cooling pipes

2.3温控效果计算

2.3.1计算模型

由于温度传感器布置在结构的1/4剖面上，为了使本次模拟过程更接近实际情况和便于计算分析[8]，综合考虑该承台的施工方案、材料性质、形状尺寸等多种因素，采用Midas/Civil程序软件计算分析，有限元建模模型图如图2所示，管冷布置模型图如图3所示。

2.3.2计算参数

混凝土相关参数如表1所示，有限元模拟计算重要参数如表2所示。

图2　有限元计算模型图Figure 2　Finite element model

图3　冷管布置模型图Figure 3　Cold pipe installation model

表1 混凝土相关参数Figure1 Relevantparametersofconcrete材料配合比W/kg百分比δ入罐温度T/℃比热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外加剂4.510.00284.187

表2 有限元模拟计算重要参数Figure2 ImportantparametersofFEM名称参数混凝土导热系数8.914kJ/(m·h·℃)混凝土比热0.899kJ/(kg·℃)混凝土浇筑温度11.5℃最高绝热升温57.57℃混凝土的空气中放热系数63.09kJ/(m2·h·℃)地基边界温度10℃环境温度和混凝土初温20℃直径(外径)0.04m进水温度27～30℃出水温度31～33℃流速3.0m3/h

2.3.3计算结果

由于大体积混凝土施工最大温度一般出现在混凝土内部中心，为探究冷管对温控效果的影响，取中间层最大温度为研究对象，把第二层中心点最大温度时程曲线作为只考虑冷管因素情况下原方案混凝土内部温度时程曲线如图4所示。

图4　原方案混凝土内部温度时程曲线图Figure 4　Curve of time and temperature in the original 　　　concrete

为验证有限元模拟计算的准确性，现将本次模拟计算结果与该承台第二层中心点的现场温控实测结果进行对比分析，计算结果与实测结果对比图如图5所示。

图5　计算结果与实测结果对比图Figure 5　Comparison chart of calculated and measured values

据图5可知：计算值略大于实测值，两者出现最大温度时间非常接近，模拟和实测温度值随时间变化趋势也基本一致，说明有限元计算具有较高准确性，能较好地计算出大体积混凝土内部温度的变化趋势，可以优化大体积混凝土施工方案和指导现场施工温控。

3后河桥大体积混凝土冷管控制方案优化

3.1冷管间距方案优化

鉴于后河大桥大体积混凝土承台施工冷管为间距160 cm的蛇形布置，如图3所示，为探讨冷管间距对温控效果的影响，现分别将冷管间距为120 cm和200 cm并且其它因素不变的两组有限元模型进行对比分析。冷管间距为120 cm的冷管布置模型图如图6所示，冷管间距为200 cm的冷管布置模型图如图7所示。

图6　间距120 cm冷管布置模型图Figure 6　120 cm spacing cold pipe installation model

图7　间距200 cm冷管布置模型图Figure 7　200 cm spacing cold pipe installation model

为了解不同冷管间距的温控效果，将不同冷管间距的第二层最高温度进行对比分析，不同冷管间距的温控效果对比图如图8所示。

图8　不同冷管间距的温控效果对比图Figure 8　Different spacing temperature effect comparison chart

从图8可以看出：不同冷管间距的温度随时间变化趋势基本一致，温度都是先迅速上升，后来缓慢小幅度下降，直至趋于平稳。其中，冷管间距为160 cm的温度最低，温度峰值为54 ℃，温度在52 ℃时趋于平稳，降温效果最佳；冷管间距为120 cm时，最大温度为64 ℃，降温效果较差。因此，可以认为在冷管间距为160 cm左右时降温效果较好。

3.2不同冷管流量方案温控效果对比

后河大桥大体积混凝土承台施工冷管的流量为3.0 m3/h，为探讨冷管流量对温控效果的影响，现分别将冷管流量为2.4 m3/h和3.6 m3/h并且其它因素不变的两组有限元模型进行对比分析，不同冷管流量的温控效果对比图如图9所示。

图9　不同冷管流量的温控效果对比图Figure 9　Different flow temperature effect comparison chart

从图9可以看出：不同冷管流量的温度随时间变化趋势基本一致，温度都是先迅速上升，后来缓慢小幅度下降，直至趋于平稳。冷管流量为3.6 m3/h的温度最低，温度峰值为55 ℃，温度在47 ℃时趋于平稳；冷管流量为2.4 m3/h和3.0 m3/h的温度值十分接近，相比冷管流量为3.6 m3/h略高，降温效果较差。因此，可认为当冷管流量接近3.6 m3/h时温控效果较好。

3.3冷管类型方案优化

后河大桥大体积混凝土承台施工冷管采用蛇形布置，如图3所示，为探讨冷管类型对温控效果的影响，现分别将环形冷管和1/4独立蛇形冷管并且其它因素不变的两组有限元模型进行对比分析，环形冷管布置模型图如图10所示，四分之一独立蛇形冷管布置模型如图11所示，不同类型温控效果对比图如图12所示。

图10　环形冷管布置Figure 10　Circular cold pipe installation

图11　四分之一独立蛇形冷管布置Figure 11　1/4 independent serpentine cold pipe installation

图12　不同冷管类型方案温控效果对比图Figure 12　Different type temperature effect comparison chart

从图12可以看出：不同冷管流量的温度随时间变化趋势基本一致，温度都是先迅速上升，后来缓慢小幅度下降，直至趋于平稳。其中，1/4独立蛇形冷管布置温度最低，温度峰值为52 ℃，温度在48 ℃时趋于平稳，降温效果最佳；环形冷管和蛇形冷管布置的温度值比较接近，相比1/4独立蛇形冷管略高，降温效果较差。因此，可以认为1/4独立蛇形冷管温控效果较好。

3.4针对后河大桥大体积混凝土承台最佳温控冷管方案

由上文可知，当冷管间距为160 cm、冷管流量为3.6 m3/h和冷管类型为四分之一独立蛇形布置时降温效果最好，现在在此基础上用有限元进行计算分析，并与后河大桥大体积混凝施工方案温控效果进行比较，优化方案与原方案温控效果对比图如图13所示。

图13　优化方案与原方案温控效果对比图Figure 13　Optimization and the original temperature 　　　effect comparison chart

从图13可以看出：优化方案与原始方案的温度随时间变化趋势基本一致，温度都是先迅速上升，后来缓慢小幅度下降，直至趋于平稳。优化方案的最高温度为49 ℃，比原始方案降低了3 ℃；优化方案的平稳温度为47 ℃，比原始方案降低了5 ℃。说明本优化方案对该工程具有更好的降温效果，具有借鉴意义，并为今后同类工程提供了有价值的参考信息。

4结论

① 通过对该桥大体积混凝土承台温控冷管方案的优化，得出降温效果较好的冷管间距、冷管流量和冷管类型方案，针对本工程提出了温控效果更好的冷管控制方案。

② 以该桥的温控冷管方案为蓝本，验证了有限元分析计算的准确性，展示了一种较为良好的温控冷管控制方案和计算分析方法，为今后同类工程提供了有用的试验数据，也为今后开展深入理论研究提供了参考依据。

[参考文献]

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[2]GB50496-2009，大体积混凝土施工规范[S].

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[5]刘耀东，白应华，余天庆．基MIDAS的大体积混凝土承台管冷技术优化研究[J]．混凝土，2009(9)：110-112.

[6]栾尧，阎培渝.大体积混凝土水化热温度场的数值计算[J].工业建筑，2008，32(2)：81-85.

[7]杨培诚，李志成.基于MIDAS/CIVIL的C40大体积混凝土施工期仿真分析[J].公路工程，2012，37(1)：137-138.

[8]朱岳明，徐之青.混凝土水管冷却温度场的计算方法[J].长江科学院院报，2003，20(02)：19-21.

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

[中图分类号]U 445.4

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0136—04

[作者简介]郭三元(1987—)，男，湖北武汉人，研究生，研究方向为岩土工程。[通讯作者] 黄彩萍(E-mail：115061081@qq.com).

[基金项目]教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-11-0962)，湖北省科技厅重点项目(2012FFB00606)，湖北工业大学高层次人才项目(BSQD12054)

[收稿日期]2015—02—04