冷却管在大体积混凝土裂缝控制中的应用研究

大体积混凝土结构在水化热作用下极易产生温度裂缝，预埋冷却管作为大体积混凝土裂缝控制常用技术措施之一在实际工程中具有较为广泛的应用，其原理主要是通过水管内部流动的冷却水带走结构内部的一部分热量，降低结构温峰值，减小结构由于温度变化引起的温度应力，从而实现大体积混凝土裂缝控制。

目前，关于冷却管的应用已经有诸多研究，尤其是在研究冷却管布置的经济性和冷却效果方面，不少学者提供了可靠的理论依据，研究了冷却水温、通水流量、水管管径、水管间距、材质等因素对冷却管冷却效应的影响[1-6]，为现场施工冷却管布置方案提供了参考。但是工程应用中，考虑到现场条件的局限性以及结构的差异性，冷却管布置方案中的较多参数并不能完全按照参考文献中推荐的数值范围进行设置，所以仍需在施工前期借助仿真分析模型，结合实际施工可达到的条件来模拟整个施工过程，获得较优的冷却管布置方案。

以某住宅楼大体积混凝土底板为例，借助midas FEA有限元软件中的水化热分析，建立了底板结构模型，模拟了无冷却管和有冷却管两种工况条件，得到了两种工况的温度场、应力场分布及开裂风险等结果，指导后期底板结构的冷却管布置方案；并对施工过程中的温度变化进行监测，工程应用效果表明借助有限元手段，结合现场施工条件，有针对性地制定冷却管布置方案能够取得较好的裂缝控制效果。

位于武汉市汉南区楚天府小区的10#楼，为超高层住宅楼，建筑高度为133.3 m，地下1层地上45层。底板为异形长方形，如图1所示，底板结构最长边为44.8 m，最宽边为19.55 m，厚度为1.9 m；底板下设有100 mm厚的C15素混凝土垫层；底板混凝土强度等级C35P6，配合比如表1所示。根据该项目的大体积混凝土施工方案，该楼底板混凝土预计施工时间为5月下旬；采用分层浇筑法，分层厚度0.2～0.3 m，连续不间断浇筑；底板侧模板采用300 mm厚的 砖胎 模 。

表1 底板C35P6 混凝土配合比

前期采用midas FEA进行仿真分析拟定冷却管布置方案时，考虑到模型运算的便捷性，在结构以及参数设置上作出以下几点假定：1)模型中不考虑承台、桩基的影响，忽略底板4个不规则的边角；2)不考虑底板结构内部钢筋以及其它材料对混凝土的影响；3)布置的冷却管与整个混凝土底板相比，所占体积比例较小，考虑冷却管的冷却效果时忽略冷却管体积的影响。

2.1 计算参数选取

C35底板混凝土热学性能参数如表2所示。

表2 C35底板混凝土热学性能参数

2.2 边界条件选取

有限元模型中涉及到的边界条件包括以下几类：

1)固结边界：在垫层底部节点设置固结约束，约束其三个方向的平动自由度。

2)对流边界：底板在施工成型过程中，不同的介质会影响到底板水化热的传播速度以及内部温度场的分布，底板侧面与砖胎膜接触，对流系数取100 kJ/(m2·h·℃)；顶面暴露于空气中，浇筑完成后会采用塑料薄膜覆盖，对流系数取190 kJ/(m2·h·℃)。

3)固定温度边界：在仿真分析过程中，假定垫层混凝土的温度是不随时间发生变化的，取环境温度的平均值24 ℃。

2.3 模型建立

根据前述相关参数条件，建立有限元模型如图2所示。

2.4 冷却管的布置方案

冷却管的布置方案根据相关参考文献的建议，结合现场施工可提供的条件，通过midas FEA的多次试算，最终确定了一个较优的方案，限于篇幅，对试算过程不做描述。

具体布置方案如下：1)冷却管选用直径为0.05 m的 PE水管 ，冷却水的相关参数信息如表3；2)在底板厚度方向上布置2层，上层水管、下层水管分别距离底板上表面0.5 m和1.4 m；3)在底板水平层面上采用蛇形布置方式，如图3所示，最外层水管距离底板轮廓线0.6 m，水管间距按1.5 m设置，由于底板尺寸不规则的缘故局部间距有1.45 m、1.6 m和1.8 m；4)底板厚度浇筑至0.9 m高时开始通水，浇筑完成之后继续通水11 d。

表3 冷却水相关参数

2.5 现场施工

根据最终确定的冷却管布置方案，在底板混凝土浇筑前埋设冷却管；同时在底板上布置6个测温点，位置示意图如图3所示，每个测温点在距离底板上表面0.5 m(上部)、1.0 m(中部)、1.5 m(下部)三个厚度位置处埋设有测温计，以便后期监测底板温度变化。

底板浇筑完成后，考虑到原仿真分析设置的模拟条件与实际施工略有出入，故将原底板定义的水化热阶段重新进行设置。底板混凝土实际浇筑时间为5月23日凌晨，具体的浇筑进度为：1)2019.5.23 4:30～7:30浇筑底板厚度0.9 m，浇筑温度为24～27 ℃，浇筑完成后下层水管开始通水；2)2019.5.23 7:30～19:30浇筑底板厚度1.0 m，浇筑温度为26～32 ℃，浇筑完成后上层水管开始通水。

通过设置无冷却管、有冷却管两种分析工况，运算模型，得出相应的计算结果。结果显示，同种工况下6个测温点在相同高度位置处的温度曲线基本一致。故后期仅分析5#测温点，结合GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》中关于大体积混凝土施工的温控指标——温升值、里表温差、降温速率等，进行无冷却管和有冷却管两种工况下温度场的对比分析，如图4～图6所示。

有无冷却管工况下的温度场分析如下：

1)由图4可知，无冷却管时的温度曲线温峰值高于有冷却管时，底板中心部位在81 h时达到温峰值69.3 ℃；而有冷却管时，中心部位在81 h时达到温峰值64.4 ℃，温峰值降低了4.9 ℃。两者的温升值分别为43.3 ℃、38.4 ℃，均小于50 ℃，符合标准要求。同时，与无冷却管工况相比，有冷却管时下部、中部、上部三个位置的温度最大的降幅分别为4.0 ℃、5.4 ℃、3.9 ℃。

2)由图5可知，底板在无冷却管和有冷却管两种工况下最大里表温差分别为24.7 ℃、21.8 ℃，均未超过标准中的限值25 ℃；有冷却管工况下最大里表温差下降了2.9 ℃。

3)由图6可知，底板中心部位进入降温阶段后，无冷却管时温度曲线下降更快，其最大降温速率为4.74 ℃/d，而有冷却管的最大降温速率为3.89 ℃/d。两种工况下的降温速率超出标准限值2 ℃/d的时间范围基本一致，但无冷却管的整体降温速率高于有冷却水管时，最大降温速率高出0.85 ℃/d。有冷却管时，冷却水带走混凝土水化时的一部分热量，结构的降温速率有所减小，对结构而言不会因为降温过快而增大开裂风险。

综上所述，在大体积混凝土底板中设置冷却管时，各项温控指标均低于无冷却管的工况，温峰值、里表温差、降温速率等的减小，对控制大体积混凝土结构开裂更为有利。

根据朱伯芳院士的观点：混凝土裂缝的产生是由于拉应力超过了抗拉强度。为了防止混凝土裂缝，不能单纯控制温度，必须严格控制温度应力不超过允许拉应力。以5#测温点为参考，在有无冷却管的工况下其温度应力与允许拉应力的关系如图7所示。由图7可知，设置冷却管之后，底板的温度应力超过允许拉应力的时间缩短了30～50 h；与无冷却管相比，大部分时刻的温度应力也减小了0.66%～32.63%。

根据模型运算结果，以裂缝指数(温度应力与允许拉应力的比值)的大小来衡量底板开裂风险的大小，可知当裂缝指数<1，且越接近0，其开裂风险越大，产生有害裂缝的几率就越大。将整个底板体积设为1，两种工况下不同时刻底板裂缝指数介于0～1之间的体积比如图8所示。由图8可知，设置冷却管之后，具有开裂风险的区域体积比均有所下降，最大减幅为20.3%。

从底板的应力、裂缝指数两个指标的变化，可以直观地表明，设置冷却管后底板的开裂风险得以降低，有利于大体积混凝土的裂缝控制。

5#测温点现场实测温度数据与仿真模拟得出的温度对比曲线如图9所示。

由图9可知，底板结构实测温度比仿真模拟的温度要略高，实测中5#点在85.5 h达到温峰值68 ℃，与模拟的结果81 h时达到温峰值64.4 ℃相比，温峰时间较为接近，温峰值要高出3.6 ℃。偏差在可接受范围内，认为仿真分析在工程应用中发挥了预测作用，其模拟结果是具有参考意义的。

底板浇筑完成10 d后查看表面裂缝情况，发现除了局部干缩裂纹外，没有宽度超过0.3 mm的有害裂缝，效果较好。可见通过冷却管的设置，大体积混凝土底板的裂缝控制效果较好。

（1）针对1.9 m厚的大体积混凝土结构，采用仿真分析预测结构在无冷却管和有冷却管两种工况下的温度场、应力场的变化情况，根据仿真分析结果及底板应用效果显示：在大体积混凝土裂缝控制中，事前的仿真分析有利于更科学地设置冷却管，使得裂缝控制效果事半功倍。

（2）在大体积混凝土结构中设置冷却管，不能完全消除结构的开裂风险，故后期在允许范围内仍需辅以其它的措施，如加强结构的保温保湿养护等。