基于MIDAS的大体积混凝土冷却水管布置方案研究.doc

基于MIDAS的大体积混凝土冷却水管布置方案研究王新刚1张伟2樊士广1 齐怀尚1(中交天津港湾工程研究院有限公司 结构所，中国天津，300222；中交一航局第一工程有限公司 天津，300456)摘要：为了更加有效地发挥大体积混凝土结构中冷却水管的温控作用，本文探索利用有限元软件Midas/civil对埋有冷却水管的大体积混凝土温度场进行计算。分别分析了水管布置形式、水管直径、管距、长度、冷却水流量等因素对温度场的影响，同时考虑冷却效率和施工成本，提出了较为合理的冷却水管布置方案。关键词：大体积混凝土；Midas；冷却水管；温度场；水化热中图分类号： TU528；TP301；文献标识码；A 文章编号：Study on water-cooled tube layout program of massive concrete based on MIDASWang Xin-gang1 Zhang Wei2 Fan Shi-guang1 Qi Huaishang1(Tianjin Port Engineering Institute Ltd. of CCCC Fist Harbor Engineering Company Ltd. Tianjin 300222; NO.1 Engineering Company Ltd. Of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd, Tianjin 300456)Abstract: In order to play the role of water-cooled tube temperature control in mass concrete structures more effectively, the finite element software Midas/civil is used to calculate the cooling water pipe buried in a large volume of concrete temperature field. The arrangement of the cooling pipes, water pipes diameter and thickness, tube distance, length, cooling water flow, and other factors on the temperature field was calculated and analyzed separately, taking into account the cooling efficiency and construction costs, proposed a more reasonable cooling pipe layout program in this article.Key Words：Massive concrete；Midas; water-cooled tube; Temperature field; hydration reaction- 4 -1 引 言作者简介：王新刚（1973- ），男，高级工程师，工学硕士。研究方向：桥梁加固、施工控制及大体积混凝土温度应力计算及裂缝控制。 通讯地址：天津市河西区大沽南路1002号 邮编：300222E-mail:联系电话大体积混凝土结构中，为了更加有效地发挥冷却水管的作用，需要对冷却水管的各项参数进行计算，来确定更加合理的布置方案。但由于大体积混凝土结构中水泥水化生热率、热流率、热边界条件及内部冷却水管与混凝土的热交换等随时间都有明显变化，这使整个混凝土体的温度场变得非常复杂，采用传统方法计算费时费力，得到的结果精度也不够参考文献1 王新刚等. 基于人工神经网络的大体积混凝土温度场预测J.混凝土，2006(9)。本文探索利用大型有限元软件Midas/civil 对埋有不同布置形式冷却水管的大体积混凝土温度场进行计算，得出了既满足温度控制要求又经济合理的冷却水管布置方案。2有限元模型的建立2.1 Midas/civil 简介MIDAS/Civil是个通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计。特别是针对桥梁结构，MIDASCiVil结合国内的规范与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多便利的功能2 北京迈达斯技术有限公司，MidasCivil用户指南，2004。2.2 工程概况永定新河特大桥跨越永定新河河道，为天津海滨大道北段二期工程的一个关键节点，结构形式为90+160+90m的变截面预应力混凝土连续箱梁。主桥8#、9#墩承台尺寸为44.4X30.6X5.5m，混凝土设计标号为C40，为大体积混凝土结构。承台混凝土配合比如表1-1所列。表1-1承台C40混凝土配合比 (kg)水泥砂石料水矿粉23065811211582262.3 计算参数的取值本算例参数取值如表1-2所列。塘沽地区9月份平均气温取20.5摄氏度。表1-2计算参数的取值 构件位置物理特性承台垫层比热(kcal/kg)0.250.25比重(kgf/m3)2394.82400热传导率(kcal/m hr)2.32.3对流系数(kcal/m2 hr)1212大气温度()20.520.5入模温度()20-28d抗压强度(kgf/cm2)400200强度进展系数a=0.45 b=0.95-28d弹性模量(kgf/cm2)3.51052.6105热膨胀系数1.010-51.010-5泊松比0.180.18单位体积水泥含量(kgf/m3)230-放热系数函数K=30.97a=0.605-本算例所用水泥为唐山冀东水泥股份有限公司生产的42.5R普通硅酸盐水泥，水化热为3d：274kJ/kg； 7d：305kJ/kg。矿粉的水化热折减系数取0.3，即胶材料水化热计算当量值为：230+1260.3267.8kg。2.4 有限元分析模型的建立采用通用有限元软件Midas/Civil V6.71，按承台和垫层实际尺寸建立有限元模型如图1所示。未加冷却水管3d温度场如图2所示，承台中心点3d最高温度为47.8。图1承台有限元模型和3d温度场3影响水管冷却效果因素的计算分析影响水管冷却效果的因素主要有：水管布置形式、管径、管厚、水管材料、通水流量、冷却时间、冷却水温、管距、水管长度等。3.1 冷却水管布置形式对冷却效果的影响冷却水管立面布置形式冷却水管立面布置形式主要有矩形和菱形两种形式，如图3-1所示。 图3-1 冷却水管立面布置形式从图中可以看出，水管菱形布置形式冷却效果要优于矩形布置形式。但菱形布置在施工时不太好控制，因此选用矩形布置形式。冷却水管平面布置形式冷却水管平面布置形式主要有蛇形和环形两种形式，如图3-2所示。图3-2 冷却水管平面布置形式在有限元模型中冷却水管分别以蛇形和环形两种形式布置并建立有限元模型，其他参数完相同，分别计算3d温度场。蛇形冷却水管布置3d最高温度为43.4；环形冷却水管布置3d最高温度为43.5。从两者的降温幅度来看没有明显差别，均为12.5左右。但从温度场分布情况来看，蛇形冷却水管冷却水由左侧通入然后从右侧流出，冷却水通入时温度较低，流出时温度升高，因此左侧温度降低幅度较大，右侧温度降低幅度较小；而环形冷却水管冷却水由中心通入，冷却水温度在环形水管中的分布是中心低边缘高，这恰好与混凝土中心高边缘低的温度场分布相反，两者叠加使混凝土温度场分布更加均匀，如图3-3所示。 图3-3 蛇形和环形两种布置形式3d温度场3.2 冷却水管直径对冷却效果的影响为了研究不同冷却水管直径对混凝土冷却效果的影响，水管直径分别取9mm、18mm、27mm和36mm的钢管来分别建立有限元模型进行计算，管间距取1m，冷却水流量取1.2m3/h，冷却水温取20，混凝土参数仍采用表1-2所列的计算参数，冷却水管平面布置形式采用环形，立面布置形式采用矩形计算结果如图3-4所示。图3-4 不同冷管直径的冷却效果从图3-4中可以看出，在冷却水管的通水流量、管间距等其参数和它条件不变时，冷却水管直径的变化对大体积混凝土的冷却效果影响很小。管径的增大势必会使管材消耗增加很多，增加施工成本。因此，通过增加管径的方式来提高冷却效果是非常不经济的。可是管径过小，水管的通水阻力将会增加，如果保持相同的流量，管内冷却水的流速也会变大，会增加供水设备的工作负荷。所以，对于冷却水管的管径基本可按照内直径2530mm来考虑。3.3 冷却水管的间距对冷却效果的影响水管间距包括水平间距和竖直间距，在实际工程中一般取平间距和竖直间距为相同数值。本次模拟分析水管间距分别取0.5m、1.0m、1.5m，其他计算参数同上节，计算结果如图3-5所示。图3-5 不同冷管间距的冷却效果由图3-5可以看出，管间距减小可以大大提高冷却效果。但减小管间距的同时用钢量也迅速增加，同时管间距过小也会增加施工难度，因此，冷却水管的间距不能无限制地缩小，实际工程中，水管的间距一般可取1.02.0m。3.4 冷却水温度对冷却效果的影响冷却水管中的冷却水温度越低，与混凝土的温差就越大，降温效果就越好。但冷却水与混凝土的温差过大，由于混凝土的导热系数较小，就会导致水管附近的混凝土降温过快，从而可能使这部分混凝土产生内部裂缝，影响结构的整体强度。另外，在一期冷却中，在考虑新混凝土降温的同时，还要考虑到下层已经浇筑完成老混凝土与冷却水的温差。通常将冷却水与混凝土内部最高温度之差宜控制在2025之内，同时还应控制混凝土冷却的速度，国内大体积混凝土降温速率一般控制在1/d以内。此外，冷却水温越低，对制冷设备的要求也越高，施工成本越大。因此不能想当然地认为冷却水的水温越低越好，应根据工程的实际情况，具体问题具体分析，通过计算确定。为了研究不同冷却水温对混凝土冷却效果的影响，水管直径取27mm，管间距取1m，冷却水流量取1.2m3/h，冷却水温分别取20、10、4，混凝土参数仍采用表1-2所列的计算参数，冷却水管平面布置形式采用环形，立面布置形式采用矩形计算结果如图3-6所示。图3-6 不同冷却水温的降温效果由图3-6可以看出，水温取20时，混凝土内部最高温度降低了6，继续降低冷却水温，混凝土降温幅度明显减小，同时考虑到降温速度不能过快和降低冷却水温的成本，本工程冷却水温取20。3.5 冷却水流量对冷却效果的影响冷却水在紊流的情况下，不同温度的流体质点产生整体混合，能增大水冷却面上的对流换热系数，从而提高冷却效果。因此管内水流的流速应充分大，以保证管内水流成紊流状。对于本工程管径取25.4mm，在管内产生紊流的临界流速为12.5cm/s，临界流量为64ml/s。因此，冷却水的流量应大于0.25m3/h。为了研究不同冷却水流量对混凝土冷却效果的影响，冷却水流量分别取0.3m3/h、0.6m3/h、 1.2m3/h和2.4m3/h，水温取20，其他计算参数同上节，计算结果如图3-7所示。图3-7 不同冷却水流量的降温效果由图3-7可以看出，在其他参数不变的情况下，增加冷却流量，混凝土降温效果并不明显。而流量加大后，出口水温将降低，造成提供冷却水的制冷设备利用效率降低；另外，流量加大后，水头损失随之加大，对供水系统的泵压要求也提高。因此，在实际工程中冷却水流量一般取临界流量的34倍，本工程冷却水流量取1.2m3/h。3.6 冷却水管长度冷却水管中的水温是沿程变化的，沿水管离进水口越远，水温越高，单根水管越长，则水管进口水温与出口水温相差越大。为了保证冷却效果，同时考虑到管内的水头损失和水泵容量，水管长度一般取200300m。3.7 冷却水管的通水时间从前面计算可以看出，采取水管冷却后，混凝土最高温度显著下降，这说明冷却水管的降温效果非常明显。但并不是通水时间越长越好，通水时间太长，混凝土内部温降过大，可能会使水管周围的混凝土中引起较大的拉应力，甚至产生裂缝，同时通水时间过长会增加工程成本，通常一期冷却时间通常在14d左右。4 冷却水管布置方案的确定综合前面的分析计算结果，确定永定新河特大桥承台冷却水管布置方案如下。冷却水管的平面布置采用两个环形独立循环，如图4-1所示。立面布置如图4-2所示。图4-1 冷却水管平面布置图4-2 冷却水管立面布置冷却水管直径取25.4mm，平面管距取1m，立面管距取1.1m，水温取20，流量取1.2m3/h，通水时间为14d。按这些优化参数重新建立有限元模型并进行计算，混凝土内部最高温度为41