大体积混凝土承台施工期温控仿真分析研究 6页

第8卷第5期铁道科学与工程学报V0I_8NO．52011年10月JOURNALOFRAIL＼／＼／AYSCIENCEANDENGINEERINGOct．2011大体积混凝土承台施工期温控仿真分析研究闫松涛，周世军，魏庆朝(1．北京交通大学土建学院，北京100044；2．重庆大学土木工程学院，重庆400045)摘要：针对大体积混凝土承台施工过程中水泥水化热造成的内外温差问题，对采用布置冷却水管的混凝土温度场进行仿真分析研究。介绍了大体积混凝土施工中水化热分析的理论基础，并通过理论计算得到分析过程中所需的一些主要参数。结合工程实例，应用有限元软件MIDAS—CIVIL按照实际施工过程对大体积混凝土承台进行了全程水化热温度场的仿真分析，通过对比实测值和计算值，发现结果吻合较好，表明本文采用的仿真分析方法是可行的，可为同类工程仿真分析研究提供参考。关键词：大体积混凝土承台；水化热温度场；冷却水管；有限元仿真分析中图分类号：TU528．1文献标志码：A文章编号：1672—7029(2011)O5—0051—06ResearchonsimulationoftemperaturecontrolinconstructionperiodofmassiveconcretebearingplatformYANSong．tao，ZHOUShi-jun，WEIQing．chao(1．CollegeofArchitectureandCivilEngineering，BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044，China2．SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China)Abstract：Aimingatthetemperaturedifferencecreatedbyhydrationheatofcementbetweentheinsideandout-sideofthemassiveeonceretebearingplatforminconstructionperiod，thetemperaturefieldofeoneeretewithcool—ingwaterpipeissimulated．Firstly，thetheory~undationofhydrationheatanalysisandthemethodofsomemainparametervalueareintroduced．Then，basedontheconstructionexample，thewholejourueyhydrationtemperaturefieldofmassconeretebearingplatformissimulatedwiththefiniteelementsoftwareMIDAS／Civil，andtheanaly—sisresultscoincidewiththemeasuredresultsperfectly．Keywords：massiveeoneeretebeatingplatform；hydrationtemperaturefield；coolingwaterpipe；thefiniteele-mentsimulatinganalysis近年来，在桥梁工程中，随着工程建设规模的产生贯穿缝，对工程结构造成不可估量的破坏。不断增大，大体积混凝土墩台结构也越来越多地出对于大体积混凝土结构温度场研究始于20世现，由此产生的大体积混凝土水化热的控制问题引纪30年代美国胡佛坝的修建⋯。在理论方面，起了广泛的重视。WilsonL2最早把有限元时间过程分析法引入混凝由于混凝土属于绝热材料，因而在水泥水化过土温度应力分析。国内，朱伯芳等提出运用有程中产生的大量热量不能及时散发，在混凝土内部限单元法对混凝土坝水管冷却效果进行分析，并且产生很大的温度应力，从而导致混凝土结构出现裂推导了考虑水管冷却效果及外界温度影响的混凝缝，对结构的承载能力、耐久性产生很大影响，甚至土等效热传导方程。朱岳明等u6针对混凝土水管收稿日期：2011—07—25作者简介：闫松涛(1985一)，男，河北青县人，博士研究生，从事混凝土温度场研究 52铁道科学与工程学报2011年10月冷却的温度场问题，在有限单元法迭代算法近似求24．25m、宽21．711、高5．5m，C30混凝土2895。解的基础上，根据水管与混凝土之间热量交换的平Ill，根据《公路桥涵施工技术标准》(JTJ041—衡原理，提出了一种新的有限单元算法。在计算水2000)中规定属于大体积混凝土。具体布置示管水温沿程变化时，通过水管截面的形心位置和水意图见图1所示。管半径来实现沿程搜索水管的边界单元，再进行曲面积分，可以严格地模拟水管的实际走向来计算管内水温的沿程增量。近年来，在仿真分析研究方面，杨磊采用ANSYS藕合热分析功能对混凝土坝施工期冷却水管降温温度场进行了分析研究，发图1工程布置示意图现在交界面初始温度取值等几个重要问题尚待很Fig．1Theconstructionschematicdiagram好的解决。王解军等运用MIDAS—CIVIL软件对桥梁大体积混凝土施工过程中的水化热温度场2理论参数取值进行了仿真分析，并考虑了冷却水管的影响，对混凝土实际浇注过程进行了简化。2．1混凝土热传导方程综上所述，大体积混凝土温度场理论研究方面由文献[1]中可得到均匀、各向同性的固体热已经比较成熟。而近年来利用大型有限元软件，如传导方程为：ANSYS和MIDAS—CIVIL等对混凝土温度场进行旦+。(++)(1)仿真分析由于其方便实用得到了越来越多的应用，：a1Icp、8％aa。但是对混凝土热学参数取值及实际浇注过程进行式中：为微分体温度，oC；r为时间，h；Q为单化仿真分析还有待进一步研究。时间内单位体积中发出的热量，kg／(ITI·h)；c为因此，本文依托工程实例，从大体积混凝土的比热，kJ／(kg·℃)；P为密度，kg／In；n为导温系热学理论出发，通过理论计算得到混凝土热学性能数，口=，m／h；A为导热系数，kJ／(m·h中的重要参数，并依据大体积混凝土承台的实际浇注过程，运用MIDAS—CIVIL软件对采用冷却水管·℃)。作为温控措施的温度场进行仿真分析研究。通过由于水化热作用，在绝热条件下混凝土的温度将理论值与实际数据进行比较，可以看出，仿真分上升速度为：析可以较好地反映采用冷却水管温控措施后大体一一rar—cp—cp积混凝土温度场的结果。式中：0为混凝土的绝热温升，oC；W为水泥刷量，1工程概况kg／m；q为单位重量水泥在单位时间内放出的水化热，kJ／(kg·h)。由式(2)，热传导方程可改写为：肇兴特大桥为跨越肇兴河及X868县道而设，桥位区位于V形沟谷处，地形起伏较大，桥面与地—a—丁：—a—+十。0(【、—a__+十擎—av+十粤—d)J(l3_))7面最大高差约为125in，左幅桥中心桩号ZK23+2．2混凝土热学性能参数545，起点桩号ZK23+063．294，终点桩号ZK23+由导温系数的定义可知：908．37，桥梁全长845．193in。右幅桥中心桩号A¨(4)口：YK23+551．433，起点桩号YK23+069．986，终点cp桩号YK23+914．803，桥梁全长844．817133。上部在此，由于热学性能未通过实验测得，凶此，呵结构采用6×40IllT梁+(83+2×150+83)m连根据混凝土各组成成分的重量百分比进行估算，通续刚构+3×40mT梁。下部结构最大墩高过文献[1]中查表得到21qc时导热系数及比热如113m，主墩采用双薄壁空心墩，嵌岩群桩基础；过表1所示。渡墩为矩形空心墩，桩基础。8号墩承台尺寸为长根据本工程中施工配合比，C30混凝土每立方 第5期闫松涛，等：大体积混凝土承台施工期温控仿真分析研究53米的材料用量为：水泥343kg，碎石1191kg，砂(r)=Q(r)(6)733kg，水195kg。承台的顶面及底面采用此类边界条件。顶面表1各成分导热系数及比热由蓄水养护，顶面温度为已知水温。底面与大地接Table1Coefficientofthermalconductivityandspecificheatof触，底面温度为土壤的恒定温度。ingredients2．4．2第2类边界条件混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即一A=r)(7)式中：A为导热系数；rt为表面外法线方向。若表面是绝热的，则有01一：0(8)d即为绝热边界条件。考虑到承台的对称性，为通过重量的百分比计算?昆凝土导热系数及比节省计算工作量，在模型的建立过程中取承台的热可得：1／4模型为计算模型。在此对称面上采用此类边A=9．18m·h·℃：界条件。c=0．94kJ／(kg·℃)，估算的结果偏低，最好2．4．3第3类边界条件乘以修正系数后=i．05，因此：当混凝土与空气接触时，经过混凝土表面的热c=0．97×1．05=0．99k工／(kg·oC)。流量为C30混凝土质量密度根据配合比为2430—q=一A(9)2500kg／m，在此取2450kg／m。。2．3混凝土绝热温升在此，假定经过混凝土表面的热流量与混凝土混凝土绝热温升最好有试验测定，在没有直接表面温度与大气温度之差成正比，即测定数据的情况下，可根据下面公式估算：一A：(71一)(10)()：土(5)式中：为表面放热系数，kJ／(m·h·℃)。式中：W为每方水泥用量，kg／Ill；c为比热，kJ／(kg此类边界条件表示了混凝土与大气接触时的·℃)；P为密度，kg／ITI；F为混合料用量，kg；传热条件，因此，应用于承台外侧面及施工过程中Q(r)为水泥水化热；k为折减系数，对于粉煤灰，与空气基础的顶面。可取Ii}=0．25。2．5冷却水管由前述可得，该工程中的混凝土导热系数为A冷却水管埋置于混凝土内部，通过循环冷却水=9．19m·h·oC；比热为c=1．02kJ／(kg·oC)；来进行热交换，从而达到降低水化热引起温度上升质量密度取为P=2450kg／m；每方水泥用量的目的。=343kg，粉煤灰用量F=86kg；3d水化热为：193流体与管道之间的热流量由下式计算：kJ／kg，7d水化热为：217kJ／kg。参考国内若干品g=hpA(—Tm)(11)种水泥的水化热和厂家提供数据，最终的水化热式中：h为管道流水对流系数，kJ／(m·h·qC)；(28d或更长时问)Q。定为320kJ／kg。因此，可求A为管道横截面积，m；Ts和分别为管道表面得混凝土最大绝热温升为：和冷却水温度，℃。0=48．1oC冷却水的对流系数随冷却水的流动速度发生2．4边界条件变化，流速为20—60cm／s时，可用下式计算：本文中模型选取3种边界条件。he=19．887v+180(12)2．4．1第1类边界条件式中：为流速，cm／s。混凝土表面温度是时间的已知函数，即本文中承台冷却水管的参数见表2。 54铁道科学与工程学报表2承台冷却水管热参数从图4～5可以看出，承台中心处最高温度}}{Table2Thermalparametersofthecoolingpipe现在浇筑完成后第3d，为40℃，同理论计算绝热最大温升基本相符，持续24h后温度开始下降，降温过程中严格控制降温速率，浇筑完成7～8d后温度趋于平稳。并且表层与中心层最大温差均末达到25，表明温度控制措施效果良好。50．00—●一3-540．0o3温度测试--il--3—430．oo⋯新⋯3-320．001，一’—一3—23．1测试方法⋯～⋯3一l混凝土内部温度测试方法采用在混凝土内部埋设温度传感器(热电偶)，并通过测温仪器直接02468“)l4测出温度数值的方法。测试时间从浇筑开始到浇时间筑完成后14d。具体的测点布置示意图如图2～3图4承台中心温度实钡4图所示。Fig．4Measureddrawingofthec0retemperatureofthebearingplatform1—1，3一I．5000中心线——40．00--．41--l-3、I·．．一．洲温元件3O．oo—●卜_J一2—垃20．(X】∞⋯I～lII1—2．3-2翮——T——r一————r一———T一—T——r～r{|心线02468lOl4时@ld．3-5．3—4．1—3,2．3—3．图5承台表层温度实测图Fig．5Measureddrawingofthesurfacetemperatureofthe图2测点平面布置示意图bearingplatformFig．2Theplanelayoutdiagramofmeasurepoints4有限元模型仿真分析ll一1．1-2．1—3中心线———j●24．1有限元模型建立3-5——3-4I3-13-2，3—3根据承台的对称性，选取1／4进行建模分析。4在建模的过程中，考虑实际施工过程，将其分为5●个施工浇筑阶段。在各阶段中，承台的侧面及顶面分别考虑不同的对流情况，选取不同的对流系数，图3测点立面布置示意图大气温度按实测值选取；按实际布置考虑冷却水管Fig．3Elevationlayoutdiagramofmeasurepoints的作用，本承台共布置5层冷却水管，水温及流量3．2测试结果按实测平均值选取。其他参数取值均参照J二?实测结果中，1—1～1—3为表层测点实测温模型单元采用8节点等参元即实体单元，在单度曲线，3一l～3—5为承台中心处i=910点实测温度元划分过程中尽量使相邻单元之间大小均匀变化，曲线，具体结果如图4～5所示。在测点处划分较细致，从而能够更好地分析其温度 一一＼廷第5期闫松涛，等：大体积混凝土承台施工期温控仿真分析研究∞∞∞m550∞∞∞∞∞∞变化情况。承台模型共划分为693个节点，480个实测结果图趋势大致相同。承台中心处最高温度单元。建立的模型如图6所示，其中，带箭头粗线出现在浇筑完成后第3d，为38．5℃，同实测温度为冷却水管，箭头方向代表水流方向。基本相符。50．(M】40．0O峨～一—隳2468l0l4时问／d图8承台表层温度计算图图6承台有限元模型Fig．8CalculateddrawingofthesurfacetemperatureoftheFig．6Thefiniteelementmodelofthebeatingplatformbearingplatform4．2有限元模型计算结果5结果的比较与分析同实际测试相对应，1⋯113为表层测点计算温度曲线，3—1—3—5为承台中心处测点计将实测温度同计算结果相比较，各测点温度之算温度曲线，通过有限元模型计算得到的结果如图差见表3。7—8所示。从表3可以看出，各测点的计算值同实测值吻合较好，误差均值都在5℃以下，个别误差较大，其—i|_一一中最大误差为11．5℃，出现在3—1测点5d处。⋯～——～3-3实际施工过程中，混凝土浇筑是一个由底部向商-—一3--4顶部逐渐浇筑的不间断过程，上部的混凝土迟于底部的混凝土参与水化热反应。而本文模型虽然按照实际施工过程，将浇筑阶段划分为几个施工阶段2468l0l4时问，t{来进行仿真模拟，但水化热反应设定为同一施工阶图7承台中心温度计算图段的混凝土同时进行，因此存在误差。另一方面，Fig．7Calculateddrawingofthecoretemperatureofthe建模过程中，大气温度、冷却管中水流量及流入温bearingplatform度都取为平均值，但实际中气温、水温、水流量等变化较大，使得理论与实际还存在一定的误差，其中，从图7～8可以看出，由模型计算所得结果同承台表层温度误差较明显。表3计算值与实测值比较结果Table3Thecomparisonofthecalculatedandmeasuredresults———————1—1—1．182．943．282．206．715．735．554．453．683．66—2．68—3．720．51—2．64—6．711—2—3．93一O．504．825．76—5．4l—0．97一O．25—0．990．900．100．6O一2．72—1．24—0．295．761—3—0．71—0．2510．936．28一6．25—2．O3—0．70—0．48O．350．482．61—3．240．24O．5610．933—11．29—6．39—3．60—0．28—2．04—11．5O—6．23—4．61—0．150．421．47—0．682．28—2．31—11．503—2—1．09—7．54—11．63—1．31一O．8O一10．35—8．74—6．55—1．83—2．01—1．98—2．79—0．28—4．38—10．353—3一—一————3．53O．711．O81．511．878．O86．294．501．83—1．07—1．20—1．283．57—1．48—8．083—4—2．56—7．14—5．460．91—3．oo—7．58—5．02—3．44一1．381．001．200．210．49—2．44—7．583—51．30——一——6．393．66O．598．078．236．53—3．81—0．950．970．01—1．851．79—2．68—8．23 56铁道科学与工程学报2011年10月6结论massconcreteconsideringtheeffectofpipecooling[J]．JournalofHydraulicEnginee—ring，1991(3)：28—34．[5]朱伯芳．考虑外界温度影响的水管冷却等效热传导方程(1)应用冷却水管作为大体积混凝土承台施工[J]．水利学报，2003(3)：49—54．温控措施效果良好，通过实测结果看出，最高温度及ZHUBo—fang．Theequivalentheatconductionequationof最大温差均处于合理范围内。pipecoolinginmassconcreteconsi—deringinfluenceof(2)在前人研究基础上，参照实际施工过程，并externaltemperature[J]．JournalofHydraulicEngineering，考虑冷却水管作用，建立三维有限元模型对大体积2003(3)：49—54．混凝土承台施工期温度场进行了仿真分析，计算值[6]朱岳明，徐之青，贺金仁，等．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(2)：l9～21．同实测值吻合较好。ZHUYue—ming，XUZhi—qing，HEJin—rong，eta1．The(3)混凝土的实际浇注过程对大体积混凝土温computingmethodofthetemperaturefieldofconcretewith度场具有一定的影响，本文中对应用有限元软件模coolingpipe[J]．JournalofYangtzeRiverScienctificRe—拟混凝土实际浇注过程做了部分改进，结果较好，可searchInstitute，2003，20(2)：19—21．为同类工程仿真分析研究提供参考。[7]杨磊．混凝土坝施工期冷却水管降温及温控优化研究[D]．武汉：武汉大学水利水电学院，2005：32—39．参考文献：YANGLei．Studyofthedropoftemperatureduringcon—[1]朱伯芳．大体积混凝土温度应力及温度控制[M]．北京：struetionbycoolingpipesbuilt——inconcretedamsandopti-中国电力出版社，1999．mizeoftemperaturecontrolmeasures[D]．Wuhan：WuhanZHUBo·fang．ThermalstressesandtemperaturecontrolofUniversityInstituteofWaterConservancyandElectricity，massconcrete[M]．Beijing：ChinaElectricPowerPress，2005：32—39．1999．[8]王解军，卢二侠，李辉．大体积混凝土施工期的水化热[2]WilsonEL．Thedeterminationoftemperaturewithinmass温度场仿真分析[J]．中外公路，2006，26(6)：159—165．concretestructures(SMEReportNo．68—17)，structuresWANGJie-jun，LUEr—xia，LIHui．Thesimulationoftheandmaterialresearch[R]．DepartmentofCivilEngineer—hydrationheattemperaturefieldintheconstructionofmassing，UniversityofCalifornia，Berkeley，1968．concrete[J]．JournalofChina＆ForeignHighway，2006，26[3]朱伯芳，蔡建波．混凝土坝水管冷却效果的有限元分析(6)：159—165．[J]．水利学报，1985(4)：27—36．[9]JTJ041—2000，中华人民共和国行业标准．公路桥涵施ZHUBo—fang，CAIJian—bo．Finiteelementanal—ysisof工技术标准[S]．北京：人民交通出版社，2000．theeffectofpipecoolinginconcretedams[J]．JournalofJTJ041—2000，TheindustrystandardofthePeople’Sre—HydraulicEngineering，1985(4)：27—36．publicofChina．Thehighwaybridgeconst—ructiontechni—[4]朱伯芳．考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程calstandards[S]．Beijing：ChinaCommunicationPress，[J]．水利学报，1991(3)：28—34．2000ZHUBo·fang．Equivalentequationofheatconductionin