浅析循环冷却水管在大体积混凝土中应用
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摘 要：基于海洋性热带雨林气候某工程大体积混凝土典型施工为例，通过典型施工段自然降温和布设循环冷却水管内部降温两种不同工况比较，验证循环冷却水管需求和效果。引入有限元对实体温度场模拟分析，进行两种工况下自/外约束应力混凝土开裂风险评估，为后续施工提供合理建议。
关键词：关不同工况 模拟分析 开裂风险评估 合理建议
中图分类号：TV544 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（b）-0024-02
1 试验段概况
工程所在地属海洋性热带雨林气候，高盐、高温、高湿，环境温度介于24℃～40℃范围。为验证该气候条件下某工程大体积混凝土是否需布设循环冷却水管及评估其开裂风险，布置循环冷却水管进行混凝土内部降温法（下文简称内部降温法）和不设置循环冷却水管自然降温法（下文简称自然降温法）两种不同工况的典型试验段进行比较，并对实体温度场实际尺寸进行有限元模拟分析，进行开裂风险评估。
典型施工试验块取侧墙一段小尺寸试验段按照4m×1.3m×4m进行设计。内部降温法则将冷却水管安装沿施工段长度方向设置两排平行冷却水管，水管距离混凝土表面400mm，水管间距1000mm。
在试验段构件最高温度、外表面、内表面、冷却水管表面埋设9组温度传感器。
（1）构件内部最高温度：一般在几何中心或其附近位置处;
（2）外表面温度：距构件混凝土外表面50mm位置处;
（3）内表面温度：距构件混凝土内表面50mm位置处;
（4）冷却水管表面温度：冷却水管进水口、中部、出水口附近50mm位置处[1];
试验段一个侧面与两个端面采用木模板，另一个侧面采用钢模板，钢板外侧贴聚苯板保温，混凝土顶面覆蓋高分子养护膜、土工布、聚苯板、帆布保温。
2 试验段监测结果分析
2.1 自然降温法温度及内表温差变化监测结果
混凝土强度等级为C40P6，入模温度为29.8℃。典型试验段段内部最高温度为62℃（37h），最大内表温差为10.9℃（48h）;监测得到环境温度在24.4℃～34.2℃之间，混凝土自浇筑起算第4d适合拆除侧墙及底板倒角处模板，拆除模板后及时覆盖保温保湿养护，养护时间不少于14d;混凝土内部最高温度小于45℃时停止温度监测，此段监测时长为225h。
2.2 内部降温法温度及内表温差变化监测结果
混凝土强度等级为C40P6，入模温度为31.5℃。典型试验段段内部最高温度为57.5℃（33h），内表温差为6.5℃（36h）;监测得到环境温度在26.6℃～39.4℃之间，混凝土自浇筑起算第3d适合拆除侧墙及底板倒角处模板，拆除模板后及时覆盖保温保湿养护，养护时间不少于14d;混凝土内部最高温度小于45℃时停止通冷却水，通冷却水时间为4d，此段监测时长为135h。
2.3 典型试验段段循环冷却水管降温的作用
内部降温法较自然降温法，内部最高温度降低4.5℃，内表温差降低4.4℃，降温效果明显。
根据监测数据，冷却水管进水口与出水口表面混凝土差别较大，初步判断为管内水流速过慢造成。冷却水管与冷却水管进水口、中部、出水口表面温差。冷却水与进水口、中部、出水口的最大温差为4.8℃、19.6℃、21.6℃，在浇筑后2～4d时间段，中心点降温速率为0.2～0.6℃/h。在保证混凝土内部各点温差≤25℃的前提下，内部降温法循环冷却水带走大部分热量，有效降低了混凝土内部温度。
3 实体开裂风险评估
顶板分段尺寸为22m长×14.6m宽×1.3m厚，净跨12m，矢高3m，顶板下面外加2.2m的侧墙，后浇带间距为22m。根据其它地方施工经验，此类拱形大体积混凝土结构易由于底部侧墙旧混凝土的约束而产生施工期开裂现象。下文根据实际尺寸建立模型，对顶板混凝土结构进行施工期开裂风险评估，分析计算包括了顶板不采用冷却水降温及采用冷却水降温两种情况。其中，采用冷却水管降温的工况，顶板厚1.3m，冷却水管采用内径为DN32mm的镀锌钢管，沿拱顶厚度方向设置两排冷却水管，两排冷却水管平行布置，第一排距离拱顶上表面400mm，第二层距离拱顶下表面400mm，水管走向均为拱顶长度方向。冷却水管间距为1m，单根长度不超过200m。侧墙处：第一列距离侧墙外表面400mm，第二列距离侧墙内表面400mm，水管走向均为侧墙长度方向，为进一步减小浇筑界面上方新混凝土的温度形变，将顶板下的2.2m侧墙范围内的冷却水管间距设置为300mm、400mm、400mm、400mm、400mm，共设置五层冷却水管，冷却水管平行布置，单根长度不超过200m。混凝土浇筑前开始进行冷却水循环，待混凝土内部最高温度降至45℃以下，停止通冷却水，用海淡水冲洗管道内壁。
3.1 顶板温度场模拟计算
根据顶板实际尺寸建立的有限元模型进行网格划分，通过有限元模拟分析建立自然降温法顶板浇筑后42h温度场局部分布及内部降温法顶板浇筑后30h温度场局部分布。
3.2 自约束应力评估
混凝土自约束应力是指内表温差导致的约束应力。根据内表温差的模拟结果，分别确定混凝土各龄期的弹性模量和抗拉强度，最后计算得到各龄期自约束应力的抗裂安全系数Kz[2]-[3]。 约束应力判定以自约束应力混凝土抗裂安全系数Kz≥1.5为混凝土防裂性能额判定标准。从模拟结果可以看出，不管顶板有无循环冷却水管，顶板7d自约束应力抗裂安全系数均大于1.15，自约束应力导致混凝土开裂的风险较小。
3.3 外约束应力评估
外约束应力是指构件的变形受到底部、端部或侧面的约束而产生的拉应力。根据混凝土各阶段的降温收缩和干燥收缩计算混凝土综合降温差，计算外约束应力，基础参数构件长22m，构件厚1.3m，基础水平阻尼系数Cx取0.3MPa/mm。按照1d为一个阶段，计算各阶段产生的外约束应力，并根据松弛系数计算各阶段产生的应力延续至某一龄期的应力残留值，并计算各阶段外约束应力抗裂安全系数Kw[2]-[2]，计算结果见图1所示。
约束应力判定以外约束应力混凝土抗裂安全系数Kw≥1.5为混凝土防裂性能额判定标准。从上图可以得出结论，未加冷却水管之前，顶板混凝土的外约束应力的抗裂安全系数小于1.15，混凝土有较大的开裂风险。加了冷却水管之后，在9d前，抗裂安全系数均小于1.15，存在一定的开裂风险;在9d后，抗裂安全系数均大于1.15，混凝土的开裂风险不大。
4 结语
通过内部降温法与自然降温法两种不同工况下典型试验验证，得出结论：需要布设循环冷却水管，合理布设冷却水管，可进一步降低顶板混凝土内部最高温度及内表温差，从而降低混凝土因温度收缩而产生裂缝的风险。
再通过两种不同工况按照实际施工拟采用的施工工艺措施进行有限元模型分析，頂板（加2.2m侧墙）混凝土在不同龄期，其自约束应力、外约束应力抗裂安全系数数据，得到初步评估结论见表1。
后续施工一些建议：
（1）应合理布设循环冷却水管，避免冷却水管进水口与出水口表面混凝土差别过大，防止管内水流速过慢，增加泵送压力，保持进水口和出水口位置水管对混凝土的降温效果基本一致。
（2）根据初步模拟计算结果，内表温差在2～2.5d左右达到最大，过早拆模会增大内表温差。不过，内表温差导致的结构自约束应力较小，3d时仅为0.8MPa左右，混凝土同期抗拉强度约为1.4MPa，自约束应力并不会导致混凝土开裂。拆模时间对外约束应力的影响较小，在受力允许的条件下，可以考虑在高温时间段，即2d左右拆模。
（3）在保证混凝土满足强度和使用要求的前提下，可利用混凝土的60d或90d强度作为混凝土强度评定、工程交工验收及配合比设计的依据。
（4）转角和孔洞处布设构造加强筋。
（5）在第二层侧墙的底部浇筑底部2m范围内，每两根水平钢筋之间增设一根Φ12mm水平钢筋。
（6）在分层浇筑的界面，先浇筑一层厚度约为5cm的砂浆层后，待砂浆初凝后终凝前再浇筑上部混凝土。
参考文献
[1] 混凝土结构工程施工规范[S].GB50666-2011.
[2] 朱伯芳.论混凝土坝抗裂安全系数[A].2005年新世纪水利工程科技前沿（院士）论坛论文集[C].2009（12）：419-426.
[3] 水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程[S].JTS 202-1-2010.
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