第１０卷第３期 ２０１３年６月 现代交通技 Ｍｏｄｅｒｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌ ＶＯＩ．１Ｏ Ｎ０．３ Ｊｕｎ．２０１３ 布置冷却水管的桥梁承台大体积 混凝土降温效果研究 陈爱荣，刘 钊 （东南大学土木工程学院，江苏南京２１００９６） 摘要：布置多层迂回冷却水管是降低桥梁承台大体积混凝土水化热的一项有效措施，文章通过有限元数值分析给 般施工条件下，连续通水时间宜控制在３—４ ｄ，冷却水管层间距一般不宜超过１．２５ ｍ，否则温升容易超出大体积 出了某承台温度场及应力场随时间的变化情况，研究了不同冷却水管布置方式下混凝土的降温效果。分析表明，在 一混凝土施工规范的限值。 关键词：桥梁承台；大体积混凝土；水化热；冷却水管；数值分析 中图分类号：Ｕ４４３．２５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９８８９（２０１３）０３—００２９—０４ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｍａｓｓ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｏｆ Ｐｉｌｅ Ｃａｐ ｗｉｔｈ Ｄｉｆｅｒｅｎｔ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｐｉｐｅ Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ Ｃｈｅｎ Ａｉｒｏｎｇ，Ｌｉｕ Ｚｈａｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｒｒａｎｇｉｎｇ ｍｕｈｉｌａｙｅｒｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｏｕｓ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｉｐｅｓ ｉｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｆｏｒ ｍａｓｓ ｃｏｎ・ ｃｒｅｔｅ ｏｆ ｐｉｌｅ ｃａｐ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｃｈａｎｇｅｓ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｏｆ ａ ｐｉｌｅ ｃａｐ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｍａｓｓ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｉｐｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ，ｏｎ ｇｅｎｅｒｌ ｃｏｎｓｔｒａｕｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｔｅｒ ｐａｓｓａｇｅ ｔｉｍｅ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｔｏ ｆｏｕｒ ｄａｙｓ ａｎｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｉｐｅ ｌａｙｅｒ ｓｐａｃｉｎｇ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｓｈｏｕｌｄ ｎｏｔ ｂｅ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ １．２５ ｍｅｔｅｒｓ．Ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ，ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａ— ｔｕｒｅ ｒｉｓｅ ｍａｙ ｅａｓｉｌｙ ｅｘｃｅｅｄ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ ｍａｓｓ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｉｌｅ ｃａｐ；ｍａｓｓ ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｈｅａｔ；ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｉｐｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ 大型桥梁群桩基础的承台往往较厚，属于大体 积混凝土，如何防止水化热引起温度裂缝一直是设 计施工中关注的焦点。为减少承台水化热带来的 度应力与温度变形 ３ｊ。 目前在施工中对于“是否需要采用冷却水管” 以及“采用冷却水管时的布置方案”２个问题，往往 不利影响，常用的混凝土工程措施有优化配合比、 控制人仓温度、加强养护等，在上述方法不能有效 凭经验或者通过工程类比来决定。本文通过数值 仿真分析，定量研究冷却水管的布置方式及其应用 效果。 １ 混凝土水化热的分析原理及方法 地达到要求时，往往需要布置冷却水管 Ｊ。 混凝土体积过大会导致浇筑时内部热量不能 及时散发出去而逐渐积累，由此引起混凝土内部温 度升高及表面主拉应力增大 Ｊ，布置冷却水管就相 大体积混凝土水化热温度场是有内热源的瞬 态温度场，在连续均匀、各向同性的介质中，混凝土 瞬态温度场导热方程为＿４ｊ： 当于在混凝土内部引入了数条迂回的呈线条状排 列且随时更新的冷却源，通过与混凝土内部进行热 交换把水化热源源不断地带出混凝土，从而减小温 Ａ（ ＋雾＋０ｒ： ２） （１） 作者简介：陈爱荣（１９８９一），男，江苏兴化人，硕士研究生，主要研究方向为桥梁工程设计。 ・３０・ 现代交通技术 ２０１３年 式中：Ａ为混凝土的导热系数； 『为混凝土的龄期；Ｔ 为 时坐标（ ，Ｙ，ｚ）处的瞬时温度；ｑ为单位质量水 泥在单位时间内放出的热量；Ｃ为混凝土的比热容； ｐ为混凝土的密度。 混凝土的绝热温升是指混凝土由于胶凝材料 的水化放热，使得温度逐步上升并最终达到稳定的 过程，因此绝热温升的速率与最终温升值是反映混 凝土绝热温升过程的主要参数。在绝热条件下，混 凝土导热方程可以简化为： ：卫 ｆ２ ａ 可见在给定水泥的水化放热规律后，混凝土的 绝热温升可由积分得出。 混凝土绝热温升数学模型的建立通常是先假 设一些带参数的函数表达式，然后依据一定的试验 数据，用最小二乘法或其它数学方法确定参数的取 值，拟合出一条优化曲线来表达混凝土绝热温升过 程。在龄期ｒ时，单位质量水泥累计水化热Ｑ 常 用指数模型表达 ： Ｑ ＝ （１一ｅ一 ） （３） 式中：Ｑ。为单位质量水泥最终水化热；ｍ为水化系 数，随水泥品种、比表面积及浇筑人模温度不同而 不同，ｍ的取值具体见文献［４］。 考虑混合材影响，单位体积混凝土在单位时间 内放出的热量ｑ 可由下式求得： ｑ ＝ （ ＋Ｆ）ｑ （４） 式中： 为单位体积混凝土的水泥用量；Ｆ为混合 材用量； 为不同胶凝材料掺量时的水化热调整系 数，根据大体积混凝土施工规范建议， ＝ ＋ 一 １， 为粉煤灰掺量对应的水化热调整系数，后 为矿 渣粉掺量对应的水化热调整系数， ， 具体取值 见表１ 。 表１ 不同掺量掺合料水化热调整系数 胶凝材料掺量０ １０％ ２０％ ３０％４０％ 粉煤灰掺量（ ．） １ ０．９６ ０．９５ ０．９３ ０．８２ 矿渣粉掺量（ ） １ １ ０．９３ ０．９２ ０．８４ 由式（２）～（４）可得单位体积混凝土绝热温升 计算公式： （ｒ）＝ （ ＋Ｆ）Ｑ０（１一ｅ一 ）／ｃｐ （５） 于是，以水化热放热反应时间ｒ为自变量的放 热函数为： Ｉ厂（ ）＝ （ ＋Ｆ）ｍＱ。ｅ一 （６） 通过求热函数得到任意时刻温度场，再将 热分析得到的节点温度作为体荷载施加到结构单 元节点上，给予模型适当的边界约束进行结构分 析，即可得到应力场。 ２承台工程实例及混凝土浇筑方案 某大型桥梁采用钻孑Ｌ灌注桩群桩基础，承台采 用Ｃ３０混凝土，厚３．５ ＩＴＩ，平面尺寸９．４２ ｉｎ ｘ １０．５ ｍ， 承台顶设置１．７５ ｍ×１ ｍ的倒角，承台底设置 ８０ ｅｍ厚Ｃ２０封底混凝土。 本承台在混凝土中掺入了粉煤灰，其配合比 为：水泥：砂：碎石：水：外加剂：粉煤灰＝３４４： ７３５：１ １０２：１７２：５．１：４７。 根据水泥生产商提供的资料３ ｄ累积水化热为 ３８３ ｋＪ／ｋｇ，７ ｄ累积水化热为４７８ ｋＪ／ｋｇ。将这２组 数据代入式（３），利用牛顿迭代法可求得 ＝ ４９３ ｋＪ／ｋｇ，ｍ＝０．５０。 粉煤灰掺量为１２％，由表１可知尼＝０．９５８。混 凝土密度Ｐ＝３４４＋７３５＋１ １０２＋１７２＋５．１＋４７＝ ２ ４０５ ｋｇ／ＩＴＩ ，单位体积混凝土的水泥用量 ＝ ３４４ ｋｇ／ｍ ，混合材用量Ｆ＝４７ ｋｇ／ｍ ，混凝土比热容 ｃ＝０．９６ ｋＪ／（ｋｇ・℃）。将各项参数代入式（５）求得 单位体积混凝土最大绝热温升值为： （。。）＝０．９５８ Ｘ （３４４＋４７）Ｘ４９３／（ｏ．９６×２ ４０５）＝８０℃。 承台混凝土拟采用如下３种浇筑方案，对比分 析后择优选用： （１）方案１：不设置冷却水管，混凝土一次性 浇筑。 （２）方案２：设置层间距１．５ ｉｎ的双层冷却水 管，如图１（ｂ）所示。冷却水管壁厚２ ｍｍ，内径 ５０ ｍｍ，通河水冷却，布置２层，距承台上下面均为 １ ｍ，２层水管间距１．５ ＩＴＩ。层内冷却水管的间距为 ０．９ ｍ，迂回布置，距外边缘约０．７５ ｍ。 （３）方案３：设置层间距１．２５ ｍ的双层冷却水 管，如图１（ｅ）所示。此方案将方案２中的上层水管 整体下降０．２５ ｍ，水管距承台上下面各为１．２５ ＩＴＩ 和１ ｍ，水管规格同方案２。 在混凝土浇筑到各层冷却水管标高后即开始 通水，通水流量控制在１６～２０ Ｌ／ｒａｉｎ。冷却水管在 停止通水后及时灌浆封孔，并将伸出混凝土顶面的 管道截除。混凝土终凝后在表面洒水养护，同时覆 盖土工布或覆盖塑料薄膜保温保湿。 ３ 不同方案下混凝土温度场与应力场对比 利用有限元分析软件Ｍｉｄａｓ对承台水化热进行 仿真计算，根据对称性，取１／４承台结构建立模型， 考虑到桩基及封底混凝土可提供较强的约束，承台 第３期 陈爱荣，等：布置冷却７Ｋ筻 丞鱼 堡 婆塑±隆 墨 壅 ５０．２ ｋＪ／ｍ ・ｈ・℃ ７－８ｊ ：曼 ： 温度２９℃；混凝土表面与大气的对流系数取为 Ｉ Ｉ Ａ ｌ Ｉ３．１ 温度及应力计算结果对比 针对３种方案，计算得到的承台混凝土的温度 Ｉ Ｉ及表面的最大主拉应力计算结果见表２，随时间发 展的曲线见图２一图７。 表２ ３种方案下温度及表面最大主拉应力的比较 内部最达到最高出入里表最表面最大 承台混凝土高温度／高温度模温度／大温差／主拉应力／ ℃ 时间／ｈ ℃ ℃ ＭＰａ Ｌ 三Ｑ Ｊ （ａ）水管平面布置图 引 （ｂ）方案２冷却水管布置剖面图（ ＼。。＿Ｉ 根据大体积混凝土施工规范的规定：“混凝土 浇筑体在人模温度基础上的温升值不宜大于 ５０ ｃＩ＝；混凝土浇筑体的里表温差（不含混凝土收缩 的当量温度）不宜大于２５℃” 。 方案１浇筑１２０ ｈ后混凝土内部温度最高达到 （ｃ）方案３冷却水管布置剖面图（Ａ—Ａ） ８９ ｃ《＝，比人模温度高出６９ ｃＩ＝，且混凝土表里温差最 高达到５６℃，超出规范限值。在浇筑完成后１２０ ｈ 左右表面主拉应力达到１．２７ ＭＰａ，易产生早期混凝 土裂缝。 ８０ 图１承台尺寸及冷却水管布置方案（单位：ｃｍ） 底部取固定边界；混凝土人仓温度２０℃，外界环境 １ｏ０ ８０ ８０ 温度 ６０ ６０ 越 ０ 赠４ｏ ２０ ０ 餐４ｏ ２Ｏ ０ ０ 趟４０ 赠 ２０ ０ １００ ２００ ３００ ４００ ５ｏｏ ０ ２００ ４０ｏ ６００ ８ｏ０ ｌ ０００ｌ ２ｏｏ ０ １００ ２００ ３００ ４００ ５００ 时间，ｈ 时间／ｈ 时间ｍ 图２方案１混凝土里表温度 随时间的变化 １．５ １．２ 图３方案２混凝土里表温度 随时间的变化 ０・８ 图４方案３混凝土里表温度 随时间的变化 ０．６ ０．５ ｎ４ Ｏ．６ 对０．９ ０．６ ０．３ ０ 至ｏ． 堪 Ｏ・２ Ｏ ０ １ｏｏ ２０ｏ ３ｏｏ ４００ ５００ ６００ Ｒ ０．３ ０．２ ０．１ ０ ０ １０ｏ ２０ｏ ３００ ４００ ５０ｏ ６００ ０ １０ｏ ２０ｏ ３００ ４００ ５００ ６０ｏ 时间／ｌ１ 时间ｍ 时间／ｌｌ 图５方案１混凝土表面最大主 压 方案２混凝土表面最大主拉 应力随时间的变化 图７方案３混凝土表面最大 主拉应力随时间的变化 拉应力随时间的变化 方案２浇筑７２ ｈ后混凝土内部温度最高达到 ７０ ｃＣ，比入模温度高出５０℃，混凝土表里温差最高 达到２７℃，略超出规范限值，混凝土表面主拉应力 最高０．６７ ＭＰａ。相比较方案１，温度和应力峰值都 有大幅度降低，说明了冷却水管在降低大体积混凝 土水化热不利影响方面的效果显著。 方案３在方案２基础上适当调整了水管的布置 位置，将层间距由１．５ ｍ减小到１．２５ ｍ，计算得到
