冷却水温对大体积混凝土温度应力的影响.pdf

咱收稿日期暂 2023-05-17咱作者简介暂 谭海苗渊1988-冤袁男袁汉族袁湖南茶陵人袁主要研究方向为水利工程规划设计遥咱文章编号暂 1009-2846 渊2023冤 09-0046-04第 09 期渊总第 496 期冤吉林水利圆园圆3 年 09 月0引言大体积混凝土构件在进行施工浇筑时袁 由于水泥中矿物质进行水化反应会释放出大量的热量袁而混凝土材料本身导热性较差袁混凝土构件内部往往具有较高的温度1袁2袁而其表面由于与外界空气直接接触袁温度较低遥 这种内外的温度差袁使得混凝土表面产生拉应力袁 而过大的拉应力会使混凝土出现裂缝袁从而对工程安全形成隐患遥 目前工程上防止混凝土产生温度裂缝的主要措施是在混凝土浇筑过程中通过预埋冷却水管袁 来达到平衡构件内外温差的目的3-5遥 但在使用冷却水进行降温时袁水管周围混凝土温度急剧下降袁会导致水管周围的混凝土产生较大的拉应力袁 甚至造成混凝土早期裂缝产生袁为结构的安全埋下隐患遥水管冷却效应的计算大致可以分为四类院第一类方法基于近似条件的数学求解方法6遥 该方法虽为理论求解方法袁 但在难以计算复杂的工程条件下的温度场袁实际应用较少遥 第二类方法也是目前工程上应用最为广泛的算法袁 该算法将水管作为负热源叠加到整个温度场内袁 得出平均意义上的混凝土温度场分布7遥 该方法计算效率高袁但也导致在水管周围的温度场结果不够精确遥 第三类冷却水温对大体积混凝土温度应力的影响谭海苗袁 刘阳渊南京市水利规划设计院股份有限公司袁南京冤咱摘要暂 大体积混凝土在浇筑过程中袁 水化热所产生的温度应力极易造成温度裂缝袁 采用水管冷却措施可有效降低温度应力遥 但使用过低温度的冷却水袁 容易造成混凝土出现冷击现象而产生裂缝遥 本文通过研究不同情况下的温度应力变化规律袁 分析不同冷却水温和不同冷却措施对混凝土温度应力的影响袁 为合适的冷却水温和冷却措施提供参考遥 研究结果表明袁 常规的恒定冷却水温容易造成混凝土的冷击现象袁 采用小温差尧 多期缓慢冷却的方式可更好地避免冷击现象的产生遥咱关键词暂 水管冷却曰 混凝土温度场曰 温度应力曰 分散降温咱中图分类号暂 TU 528咱文献标识码暂 BEffect of cooling water temperature on temperature stress of mass concreteTan Haimiao袁Liu Yang渊Nanjing Water Conservancy Planning and Design Institute Co.袁LTD.袁Nanjing冤Abstract院In the process of mass concrete pouring袁temperature stress generated by hydration heat is very easyto cause temperature cracks.The use of water pipe cooling measures can effectively reduce the temperaturestress.However袁the use of too low temperature cooling water is easy to cause the野concrete cold strike冶 phe鄄nomenon and concrete cracks.In order to study the influence of different cooling water temperature and differ鄄ent cooling measures on the temperature stress of concrete袁this paper provides a reference for providing appro鄄priate cooling water temperature and cooling measures.The results show that the cold strike of concrete is easi鄄ly caused by the conventional constant cooling water temperature袁and the cold strike phenomenon can be bet鄄ter avoided by using the way of small temperature difference and multi-period slow cooling.Keywords院Water pipe cooling曰Temperature field of concrete曰Temperature stress曰Decentralized cooling46-吉林水利冷却水温对大体积混凝土温度应力的影响谭海苗等圆园圆3 年 09 月方法为子结构法8袁9袁通过将含水管单元作为子结构的超级单元袁 计算温度场时对单元内部自由度进行凝聚袁得出外部单元的温度值袁再通过回代计算得出内部单元的温度值遥 该方法通过单元内部自由度的凝聚减少了刚度矩阵的带宽袁 从而提高计算效率遥 但实际应用时袁 由于工程构件的复杂性袁网格无法进行统一划分袁大大增加了前期处理所需的时间遥 第四类方法为 H 型有限元法袁即通过减小水管周围混凝土单元的尺寸袁 增加单元数量来计算混凝土结构的温度场10袁11遥 虽然该方法增加了计算量袁但实际计算成本和精度都较为合理袁因此袁本文采用该算法袁作为温度场的计算方法遥目前袁对于大体积混凝土的研究袁主要集中在含冷却水管大体积混凝土温度场的仿真研究12遥对于冷却水温对混凝土温度应力的研究还较少遥 因此袁 本文通过探讨冷却水管的水温对大体积混凝土温度场和温度应力的影响袁 为大体积混凝土的冷却措施提供一定的参考遥1计算原理1.1瞬态温度场原理c籽鄣T鄣子=姿荦2T+Q渊1冤上式中院c 为混凝土的比热容曰籽 为混凝土的密度曰琢 为混凝土的导热系数曰T 为混凝土构件任一点的温度曰Q 为混凝土水化热产生的总热量遥为求解上述方程袁 还需要知道混凝土的初始条件和边界条件遥 初始条件为混凝土初瞬时的温度分布袁即 t=0 时袁混凝土任一点的温度场分布遥混凝土温度场的边界条件一般可以分为三类院 第一类为 Dirichlet 边界条件袁 即已知物体表面任意一点在所有瞬时的温度分布遥 第二类为 Neumann 边界条件袁 即已知物体表面任意一点的法向热流密度遥 第三类为 Robin 边界条件,即已知物体表面任意一点在各个瞬时的对流放热情况遥 上述各边界条件的表达式如下院渊1冤初始条件T渊x袁0冤=F渊x冤袁x沂赘渊2冤渊2冤第一类边界条件T渊x袁子冤=f渊x袁子冤袁x沂S1渊3冤渊3冤第二类边界条件鄣T渊x袁子冤鄣n=-q 軈 渊x袁子冤姿袁x沂S2渊4冤渊4冤第三类边界条件鄣T渊x袁子冤鄣n=茁姿咱T渊x袁子冤-Ta暂袁x沂S3渊5冤1.2绝热温升绝热温升指的是混凝土在水化热期间袁 水化热量全部用于提高温度的温升值遥 绝热温升是计算混凝土温度场的重要参数袁 一般可采用两类方法进行模拟袁即间接法和数学模拟法遥间接法先通过测出水泥的水化热袁 再根据水泥的用量尧材料参数尧添加剂用量等来计算出绝热温升遥 其绝热温升公式如下院渊1冤间接法兹渊子冤=Q渊子冤渊R+kG冤c籽渊6冤其中院Q渊子冤为水泥水化热袁子 为时间遥 R 为混凝土的水泥用量袁单位是 kg/m3遥 k 为混凝土内的添加剂的折减系数遥 G 为添加剂用量袁单位是 kg/m3遥数学模拟法则通过实验测出真实值袁 再经过数学公式拟合实验数据遥渊2冤数学模拟法一般过程中常用的数学公式有院指数型院兹渊子冤=兹0伊渊1-e-a子冤渊7冤复合指数型院兹渊子冤=兹0伊1-e-a子m蓸蔀渊8冤双曲线型院兹渊子冤=兹0子a+子渊9冤这里的 兹0为混凝土最大绝热温升遥 m尧a 为数学模型的相应参数遥有上述边界条件和初始条件袁 就可以根据变分原理求解温度场遥I 渊T冤=V蓓12鄣T鄣x蓸蔀2+鄣t鄣y蓸蔀2蓘嗓-琢鄣兹鄣子-鄣T鄣子蓸蔀T蓡瑟dv+S3蓦12茁軈T2-茁軈TaT蓸蔀ds渊10冤上述泛函使用有限元离散后等于各单元的泛函之和袁即 I=Mi=1移Ie曰Ie=e移12Te蓸蔀TVe蓓47-图 1有限元模型鄣NT鄣x鄣N鄣x蓸蔀+鄣NT鄣y鄣N鄣y蓸蔀+鄣NT鄣z鄣N鄣z蓸蔀蓘蓡dvTe+e移Te蓸蔀TVe蓓NTN蓸蔀dvTe-e移Te蓸蔀TVe蓓NT鄣兹鄣子蓸蔀dvTe+e移12Te蓸蔀TS3e蓦茁軈NTN蓸蔀dsTe-e移Te蓸蔀TS3e蓦茁軈TaNTds=12Te蓸蔀T渊H+G冤T+Te蓸蔀TRTe-Te蓸蔀TF渊11冤有上述边界条件和初始条件袁 根据变分原理得温度场的支配方程为院渊H+G冤T+RT觶=F渊12冤上述的支配方程不仅是关于空间的函数袁还含有时间域的计算遥 根据向后差分的方法对时间进行离散袁可得到各时刻的温度场分布袁其差分后的方程为院渊H+G冤+1驻tR蓘蓡Tn+1=1驻tRTn+Fn+1渊13冤选择向后差分袁 主要是因为向后差分法的解具有无条件的稳定性袁误差不会无限增长遥2数值算例2.1恒定降温该混凝土构件尺寸为 4.5m伊3m伊2m袁浇筑时采用一次浇筑形式遥 该构件的顶部采用自然散热袁即该边为第三类边界条件袁 其他边界均按绝热边界处理遥 混凝土内部布置 6 根冷却水管袁且冷却水管之间的间距为 1.5m伊1.5m遥 为验证不同冷却水温对混凝土构件的影响袁 分别在混凝土构件的不同位置选取了 4 个特征点进行讨论袁 特征点 1 位于构件的侧面袁特征点 2 位于构件的顶面袁特征点 3 位于水管的中间处袁特征点 4 位于近水管处遥 网格划分如图 1 所示袁混凝土的材料参数如表 1 所示遥图 2要图 5 分别展示了不同条件下特征点处的混凝土温度应力随时间变化的曲线遥 从图 5 可以发现袁在无冷却水管的情况下袁混凝土表面特征点的应力较内部特征点高袁 这主要是由于构件表面散热较快袁而内部散热慢袁构件表面附近形成较大的温差袁从而导致构件表面拥有较大的应力遥当使用水管冷却时袁如图 2要图 4 所示袁构件表面特征点 1尧2 的应力迅速降低袁 这是因为冷却水管降低了混凝土内部的温度袁 使得构件内外温差减小袁温度应力也相应降低遥 但在近水管处由于冷却水温与混凝土温度相差过大袁 水管周围的温度应力也随着水温的变低而变大 渊如图 4 所示冤袁水管周围产生温度裂缝袁 这种现象便是水管冷却的野冷击冶现象遥 为避免出现这种野冷击冶现象袁就需要提高冷却水温袁但随着水温的提高袁水管的冷却能力也在下降袁其平衡内外温度能力下降袁使混凝土表面的应力增大袁图 1 很好地诠释了这一点遥 因此袁在进行通水冷却前袁寻找合适的冷却水温是十分必要的遥2.2分散降温从 2.1 节的算例中可以看出袁传统的恒定水温在对混凝土进行散热时袁 需要提前寻找合适的冷却水温袁这在工程进程中难以实现袁也不利于工程施工遥 为改善这种情况袁在混凝土浇筑时应尽量采用分散降温的方式对混凝土进行降温处理遥该方法的施工方案如下院 在构件进行浇筑的同时袁 对混凝土进行通水降温袁 浇筑前 2 天采用15益水温进行散热袁 之后采用 25益的水温通水 13密度渊kg/m3冤泊松比膨胀系数/10-5热容咱kj/渊kg 窑 益冤暂导热系数咱kj/渊m 窑 h 窑 益冤暂放热系数咱kj/渊m2窑 h 窑 益冤暂绝热温升/益2 4200.16710.899.06043.58伊渊1-e-0.69t0.56冤混凝土材料参数表 1吉林水利冷却水温对大体积混凝土温度应力的影响谭海苗等圆园圆3 年 09 月132448-图 5无冷却水管特征点处应力变化图 6分散降温特征点处应力图 2恒定 25益冷却水温特征点处应力变化图 3恒定 15益冷却水温特征点处应力变化图 4恒定 9益冷却水温特征点处应力变化天袁最后将水温改为 20益通水 10 天散热遥 通过使用精细有限元的方法袁 对分散降温的温度场进行计算袁得出的第一主应力计算结果如图 6 所示遥从图 6 可以看出袁采用分散降温处理后袁近水管特征点 4 的最高应力只有 1.98MPa遥相较于 15益的恒定水温的 2.62MPa袁 应力减少了 0.64 MPa袁降幅达到 24.4%袁其应力的改善效果十分明显遥此外袁其余特征点的应力变化也保持在一个合理的范围内遥3结论对于由水泥水化热所产生的温度应力来说袁其对于混凝土构件的影响是不可忽略的遥 在混凝土进行浇筑时袁进行通水冷却是必要的施工方法遥传统的恒定冷却水温方法在应用时袁 需要提前选择合适的冷却水温袁 因为过冷的水温容易使水管周围产生较大的拉应力袁造成裂缝的产生遥 而过高的冷却水温袁其冷却效果不明显袁其混凝土表面仍有产生裂缝的风险遥 因此袁为避免温度裂缝的产渊下转第 65 页冤吉林水利冷却水温对大体积混凝土温度应力的影响谭海苗等圆园圆3 年 09 月水温 25益13242.01.51.00.50.0-0.5510152025303540时间/天水温 15益13243.02.52.01.51.00.50.0-0.5510152025303540时间/天水温 9益1324510152025303540时间/天分散降温1324510152025303540时间/天无水管13242.52.01.51.00.50.0-0.5-1.0510152025303540时间/天3.53.02.52.01.51.00.50.0-0.52.52.01.51.00.50.0-0.549-渊上接第 49 页冤生袁在施工中袁采用小温差袁多期缓慢冷却的方式是合理的遥 分散降温不仅能降低混凝土的温度避免构件表面裂缝的产生袁 也能够消除低温冷却水对混凝土的冷击作用而形成的裂缝遥 阴参考文献院1朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制M.北京院中国电力出版社袁1999.2张光辉袁张晗袁高纯.大体积混凝土水化热温度场仿真分析J.武汉理工大学学报袁2009渊19冤院3.3燕乔袁张胜利袁郑伦鑫袁等.基于热流耦合算法的含有冷却水管的大体积混凝土温度场仿真技术 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