大体积混凝土承台施工期温控仿真分析研究.pdf
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1、第 8卷第 5期 2 0 1 1年 1 0月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF RAI L AY SCI ENCE AND ENGI NE ERI NG V0 I _ 8 Oc t NO 5 201 1 大体 积混凝 土承 台施 工期 温控 闫松涛 , 周世军 , 魏庆朝 仿真分析研究 ( 1 北京交通大学 土建学院, 北京 1 0 0 0 4 4 ; 2 重庆大学 土木工程学院, 重庆4 0 0 0 4 5 ) 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,
2、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 MI D A SC I V I L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: T U 5 2 8 1 文献标志码: A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 1 ) O 5 0 0 5 1 0 6 Re s e a r c h o n s i mu l a
3、 t i o n o f t e mp e r a t u r e c o n t r o l i n c o n s t r u c t i o n p e r i o d o f ma s s i v e c o n c r e t e b e a r i n g p l a t f o r m Y A N S o n g t a o , Z H O U S h i - j u n , WE I Q i n g c h a o ( 1 C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v il E n g i n e e r i n g
4、 , B e i j i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ,C h i n a 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ,C h o n g q i n g U n i v e rsit y ,C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 ,C h i n a ) Ab s t r a c t : Ai mi n g a t t h e t e mpe r a
5、t u r e d i f f e r e n c e c r e a t e d b y h y d r a t i o n h e a t o f c e me nt b e t we e n t h e i n s i d e a n d o u t - s i d e o f t he ma s s i v e e o nc e r e t e be a rin g pl a t f o r m i n c o n s t r u c t i o n pe rio d, t h e t e mp e r a t u r e fie l d o f e o ne e r e t e wi
6、 t h c o o l i n g wa t e r p i p e i s s i mu l a t e d F i r s t l y, t h e t h e o r yu n d a t i o n o f h y d r a t i o n h e a t a n a l y s i s a n d t h e me t h o d o f s o me ma i n p a r a me t e r v a l u e a r e i n t r o d u c e d T h e n , b a s e d o n t h e c o n s t ruc t i o n e x
7、 a m p l e , t h e w h o l e j o u rue y h y d r a t i o n t e m p e r a t u r e fi e l d o f ma s s c o n e r e t e b e a ri n g p l a t f o r m i s s i mu l a t e d w i t h t h e fi n i t e e l e me n t s o f t wa r e MI DAS Ci v i l , a n d t h e a n a l y s i s r e s ul t s c o i n c i d e wi t
8、h t h e me a s u r e d r e s u l t s pe r f e c t l y Ke y wor ds : ma s s i v e e o n e e r e t e b e a tin g pl a t f o r m ; h y d r a t i o n t e mp e r a t u r e fie l d; c o o l i n g wa t e r pi pe;t he fin i t e e l e - me n t s i mu l a t i ng a na l y s i s 近年来 , 在桥梁工程 中, 随着工程建设规模 的 不断增大 ,
9、 大体积混凝土墩 台结构也越来越多地出 现, 由此产生的大体积混凝土水化热 的控制问题 引 起了广泛的重视。 由于混凝土属于绝热材料 , 因而在水泥水化过 程中产生的大量热量不能及时散发 , 在混凝土内部 产生很大的温度应力 , 从而导致混凝土结构出现裂 缝 , 对结构的承载能力 、 耐久性产生很大影响 , 甚至 产生贯穿缝 , 对工程结构造成不可估量的破坏 。 对于大体积混凝土结构温度场研究始于 2 0世 纪 3 0年 代美 国胡 佛坝 的修 建。在 理论 方面 , Wi l s o n L 2 最早把有限元时间过程分析法引入混凝 土温度应力分析。国内, 朱伯芳等 提出运用有 限单元法对混凝
10、土坝水管冷却效果进行分析, 并且 推导了考虑水管冷却效果及外界温度影响的混凝 土等效热传导方程。朱岳明等u 6 针对混凝土水管 收稿 日期 : 2 0 1 1 0 72 5 作者简介: 闫松涛( 1 9 8 5 一) , 男, 河北青县人, 博士研究生, 从事混凝土温度场研究 5 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 1年 1 0月 冷却 的温度场问题 , 在有限单元法迭代算法近似求 解的基础上 , 根据水管与混凝土之间热量交换的平 衡原理 , 提出了一种新的有限单元算法。在计算水 管水温沿程变化时, 通过水管截面的形心位置和水 管半径来实现沿程搜索水管的边界单元 , 再进行 曲
11、 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 A N S Y S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 现在交界面初始温度取值等几个重要问题 尚待很 好的解决。王解军等 运用 MI D A SC I V I L软件 对桥梁大体积混凝 土施工过程中的水化热温度场 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。 综上所述 , 大体积混凝土温度场理论研究方面 已经比较成熟 。而近年来利用大型有限元软件 , 如 A N S Y S和 MI D A SC I
12、 V I L等对混凝土温 度场进行 仿真分析由于其方便实用得到了越来越多的应用 , 但是对混凝土热学参数取值及实际浇注过程进行 仿真分析还有待进一步研究。 因此 , 本文依托工程实例 , 从大体积混凝 土的 热学理论出发 , 通过理论计算得到混凝土热学性能 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 M I D A SC I V I L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 将理论值与实际数据进行 比较 , 可以看出 , 仿真分 析可以较好地反映采用冷却水管温控措施后大体 积混凝土温度场的结果。 1 工程概况 肇兴特大桥为跨越肇兴河及 X 8 6
13、 8县道而设 , 桥位区位于 V形沟谷处 , 地形起伏较大 , 桥面与地 面最大高差约 为 1 2 5 i n , 左幅桥 中心桩号 Z K 2 3+ 5 4 5 , 起点桩号 Z K 2 3+ 0 6 3 2 9 4 , 终点桩号 Z K 2 3+ 9 0 8 3 7 , 桥梁全长 8 4 5 1 9 3 i n 。右幅桥中心桩号 Y K 2 3+ 5 5 1 4 3 3 , 起点桩号 Y K 2 3+0 6 9 9 8 6 , 终点 桩号 Y K 2 3+ 9 1 4 8 0 3, 桥梁全长 8 4 4 8 1 7 13 3 。上部 结构采用 6 4 0 I l l T梁 +( 8 3+2
14、1 5 0+8 3 ) m连 续刚构 +34 0 m T梁。下 部 结 构 最 大 墩 高 1 1 3 m, 主墩采用双薄壁空心墩, 嵌岩群桩基础; 过 渡墩为矩形空心墩 , 桩基础。8号墩 承台尺寸为长 2 4 2 5 m、 宽 2 1 7 11 1 、 高 5 5 m, C 3 0混凝土 2 8 9 5 I l l 。 ,根据 公路桥涵施 工技术标准( J T J 0 4 1 2 0 0 0 ) 中规定属于大体积混凝土 。具体布置示 意图见图 1所示。 图 1 工程布置示意图 Fi g1 T he c o ns t r u c t i o n s c h e ma t i c d i a
15、g r a m 2 理论参数取值 2 1 混凝土热传导方程 由文献 1 中可得到均匀、 各 向同性 的固体热 传导方程为 : : 旦 +。 ( + + ) ( 1 ) a 1 I c p 、8 a a 。 式 中: 为微分体温度 , o C; r 为时间, h ; Q为单化 时间内单位体积中发出的热量 , k g ( I T I h ) ; c为 比热 , k J ( k g ) ; P为密度 , k g I n ; n为导温系 数 ,口 = ,m h ;A 为 导热 系数 , k J ( m h ) 。 由于水化热作用, 在绝热条件下混凝土的温度 上升速度为 : 一 一 r a r c p
16、c p 式中: 0为混凝土的绝热温升, o C; W为水泥刷量 , k g m ; q为单位重量水泥在单位时间内放 出的水 化热 , k J ( k g h )。 由式( 2 ) , 热传导方程 可改写为 : : + 。 ( + 擎+ 粤) ( 3 ) : 十 0 【 _ 十 十 J l _) 7 a 丁 a 、 a a v d 2 2 混凝土热学性能参数 由导温系数的定义可知 : 口: A ( 4 ) c p 在此 , 由于热学性能未通过实验测得 , 凶此 , 呵 根据混凝土各组成成分的重量百分比进行估算 , 通 过文献 1 中查表得到 2 1 q c时导热系数及比热如 表 1所示 。 根据
17、本工程中施工配合比, C 3 0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 5 3 米的材料用量 为 : 水泥 3 4 3 k g , 碎石 1 1 9 1 k g , 砂 7 3 3 k g , 水 1 9 5 k g 。 表 1 各成分导热系数及比热 Ta b l e 1 C o e f fi c i e n t o f t h e r ma l c o n d u c t i v i t y a n d s p e c i fi c h e a t o f i n g r e d i e n t s 通过重量的百分 比计算? 昆凝土导热系数及 比 热可
18、得 : A = 9 1 8 m h : c= 0 9 4 k J ( k g ) , 估算的结果偏低, 最好 乘 以修正系数 后 =i 0 5 , 因此 : c= 0 9 71 0 5= 0 9 9 k 工 ( k g o C) 。 C 3 0混凝土质量 密度根据配合 比为 2 4 3 0 2 5 0 0 k g m , 在此取 2 4 5 0 k g m 。 。 2 3 混凝土绝热温升 混凝土绝热温升最好有试验测定 , 在没有直接 测定数据的情况下 , 可根据下面公式估算: ( ): 土 ( 5) 式 中: W为每方水泥用量 , k g I l l ; c 为比热 , k J ( k g )
19、 ; P为 密 度 , k g IT I ;F为 混合 料 用 量 , k g ; Q( r )为水泥水化热 ; k为折减系数 , 对于粉煤 灰, 可取 Ii= 0 2 5 。 由前述可得 , 该工程中的混凝土导热 系数为 A = 9 1 9 m h o C; 比热为 c= 1 0 2 k J ( k g o C) ; 质量密度取为 P =2 4 5 0 k g m ; 每方水泥用量 = 3 4 3 k g , 粉煤灰用量 F= 8 6 k g ; 3 d水化热为 : 1 9 3 k J k g , 7 d水化热为: 2 1 7 k J k g 。参考国内若干品 种水泥的水化热 和厂家提供数据
20、 , 最终的水化热 ( 2 8 d或更长时问) Q 。 定为3 2 0 k J k g 。因此, 可求 得混凝土最大绝热温升为: 0 =48 1 o C 2 4 边界条件 本文中模型选取 3种边界条件。 2 4 1 第 1类边界条件 混凝土表面温度 是时间的已知 函数 , 即 ( r )=Q( r ) ( 6 ) 承台的顶面及底面采用此类边界条件。顶面 由蓄水养护, 顶面温度为已知水温。底面与大地接 触 , 底面温度为土壤的恒定温度。 2 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 ; r t 为表面外法线方 向。
21、 若表面是绝热的, 则有 一01 : 0 ( 8) d 即为绝热边界条件 。考虑到承台的对称性 , 为 节省计算工作量, 在模型的建立过程中取承台的 1 4模型为计算模 型。在此对称 面上采用此类边 界条件。 2 4 3 第 3类边界条件 当混凝土与空气接触时, 经过混凝土表面的热 流量为 q=一A ( 9 ) 在此 , 假定经过混凝土表面的热流量与混凝土 表面温度与大气温度之差成正比, 即 一 A : ( 7 1 一 ) ( 1 0 ) 式 中: 为表面放热系数 , k J ( m h ) 。 此类边界条件表示了混凝土与大气接触时的 传热条件, 因此, 应用于承台外侧面及施工过程中 与空气基
22、础的顶面。 2 5 冷却水管 冷却水管埋置于混凝土内部, 通过循环冷却水 来进行热交换 , 从而达到降低水化热引起温度上升 的 目的。 流体与管道之间的热流量由下式计算 : g =h p A ( T m ) ( 1 1 ) 式中: h 为管道流水对流系数 , k J ( m h q C) ; A 为管道横截面积, m ; T s 和 分别为管道表面 和冷却水温度, 。 冷却水的对流系数随冷却水的流动速度发生 变化, 流速为 2 0 6 0 c m s 时, 可用下式计算: h e=1 9 8 8 7 v+1 8 0 ( 1 2 ) 式中: 为流速 , c m s 。 本文中承台冷却水管的参数见
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