【《混凝土分期浇筑与通水冷却模拟分析案例》2200字】

混凝土分期浇筑与通水冷却模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u689混凝土分期浇筑与通水冷却模拟分析案例 1302281.1引言 1103431.2水管冷却的等效热传导方程 1322361.3不通水冷却的分期浇筑模拟 2169181.4考虑通水冷却的分期浇筑模拟 5186521.5小结 81.1引言在大体积水工建筑物，例如混凝土坝的施工过程中，为了防止水泥水化热集中、过大，产生温度裂缝，经常采用分期浇筑的方法，分期浇筑可以降低水化热高峰，便于散热。尽管采用分期浇筑，但在没有人工冷却措施的条件下，由于日照的影响，混凝土的浇筑温度会比环境温度高3-5℃，由于水泥水化热，内部温度还会升高10-20℃，因此，在混凝土建筑物施工过程中必须采用人工冷却措施，目前最常用的人工冷却方式为水管通水冷却。本章将对混凝土分期浇筑的温度场，分别在不考虑通水冷却和考虑通水冷却的情况下，进行分析。1.2水管冷却的等效热传导方程考虑外表绝热的圆柱体，直径为D，长度为L，混凝土初始温度为,水温为，绝热温升为，则在绝热温升和水管冷却共同作用下，柱体平均温度为[1]：（1.1）其中，，(1.2)(1.3)而（1.4）（1.5）（1.6）g在计算时通常是一个接近1的常数。式（1.1）右边第三项与绝热温升有关，按指数型绝热温升进行分析，有：（1.7）代入式（1.1）右边第三项，有:（1.8）至此，通水冷却的相关方程建立完毕，实际上，通水冷却和不通水的差异在于热源的定义上，在下文会有详细说明。1.3不通水冷却的分期浇筑模拟采用文献[1]中的一个算例的数据来进行模拟：混凝土冷却柱直径D=1.692m，导温系数a=0.1m^2/d,导热系数λ=226.1kJ/（m·d·℃），冷却水比热cw=4.187kJ/(kg·℃)，密度ρw=1000kg/m^3,流量qw=0.9m^3/h,水管长度L=200m，n=2d，最终绝热温升=25℃。混凝土浇筑在岩基上，每层厚度1.5m，水管的水平和铅直间距均为1.5m，层间间歇时间为4d，为了计算方便，初温、气温及进口水温均设定为0。由于算例中并没有给出指数型绝热温升的有关参数，而是给了双曲线型绝热温升的参数d，其表达式如下（1.9）所以采用拟合的方法来求m的值，具体操作可以在MATLAB中进行，最后拟合出来的结果m=0.405，能较好的使两条曲线重合。图1.1分期浇筑模型在COMSOL中建立如上图所示的模型，计算时，关键要注意热源的定义，下面进行详细说明。图1.2热源的定义上图为浇筑第一层的热源定义，由于不考虑通水冷却，所以绝热温升函数的形式较为简单，就是前文的指数型绝热温升函数，此处将其命名为jrws函数。而在定义第二层的热源时，要注意第二层浇筑时距离第一层浇筑已经过了4天，绝热温升函数的自变量t应该从第二层浇筑的起始时间开始，即d(jrws(t-4),t)，同理浇筑第三层的时候此函数应该写作d(jrws(t-8),t)。此外，还需要注意每层浇筑时的初始值，第一层自然为浇筑温度T0，而在浇筑第二层时，第一层的初始温度应该是其浇筑四天后的温度T，第二层仍为T0，同理可得浇筑第三层时的初始值。最后要注意边界条件，实际施工时，除了基岩下部分是埋在土里的，浇筑的三层混凝土和基岩上表面都是有热通量的。计算结果如下：图1.3无通水冷却的模型切面图可以看出，分期浇筑对于降低混凝土温度是十分有帮助的，第一层的温度明显要比二三层的温度低。图1.4无通水冷却的平均温度变化（一二三层自身浇筑期内）上图分别为三层混凝土自身浇筑期间的平均温度变化，可以看出后期浇筑的混凝土最高温度和升温速度都要高于前期浇筑的混凝土，这可能是由于先浇筑的混凝土自身放热对后浇筑的混凝土的影响。图1.5无通水冷却的平均温度变化（第一层整个浇筑期内）上图为浇筑全过程第一层混凝土的平均温度变化的图像，随着其他两层混凝土的浇筑，第一层混凝土温度平均值呈现先上升再下降的趋势，猜想可能是因为第二层混凝土与第一层接触紧密，所吸收的热量多于自身散发的热量，故而略有温度上升，而浇筑第三层混凝土时，自身散发的热量远远多于吸收的热量，故而温度呈现较为明显的下降。与文献[1]对比后发现，模拟结果能较好地符合原文献算例中的结果，说明该模型有一定的实用价值。1.4考虑通水冷却的分期浇筑模拟所采用模型和算例同1.3，为了方便计算，假定整个浇筑过程一直有通水，则热源的公式如下：（1.10）在COMSOL中定义如下图：

图1.6热源的定义为通水冷却函数COMSOL中定义为，为（1.1）式中的，COMSOL中定义为，4-8d和8-12d热源的定义以及初始值和边界条件同1.3。计算结果如下：图1.7通水冷却的模型切面图可以看出，通水的冷却效果还是比较明显的，与1.3中的切面图相比最高温度降低了大约4℃。图1.8通水冷却的平均温度变化（一二三层自身浇筑期内）上图分别为考虑通水冷却的三层混凝土自身浇筑期间的平均温度变化，可以看出后期浇筑的混凝土最高温度和升温速度都要高于前期浇筑的混凝土，这可能是由于先浇筑的混凝土自身放热对后浇筑的混凝土的影响，与图1.3相对比可以看出，通水冷却后，不仅最高平均温度有明显下降，平均温度开始下降的时间也大幅度提前，温度降低值也更加明显。图1.8通水冷却的平均温度变化（第一层整个浇筑期内）上图为浇筑全过程第一层混凝土的平均温度变化的图像，由于是全程通水冷却，尽管第一层在其他两层混凝土浇筑时会吸收一定的热量，但这些热量要远远少于散发的热量，所以在4-12d期间内温度一直呈现下降趋势。此外4-8d内温度下降趋势要比8-12d内的稍缓，这也进一步证实了在1.3中的猜想，即浇筑第二层的时候吸收的热量要比浇筑第三层时吸收的热量多。与文献[1]对比后发现，模拟结果能较好地符合原文献中算例的结果，说明该模型有一定的实用价