大體積混凝土(筏板基礎(chǔ))溫度場(chǎng)仿真分析與溫控監(jiān)測(cè)

高偉杰

(海軍青島特勤療養(yǎng)中心,山東 青島 266071)

隨著我國(guó)大型和超大型高層建筑的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為保證其結(jié)構(gòu)的安全性，對(duì)其所配套的大體積混凝土筏板基礎(chǔ)的研究也許要更加重視.大體積混凝土具有基礎(chǔ)深、底板厚、規(guī)模大、混凝土一次用量大、溫度應(yīng)力明顯等明顯特征.大體積混凝土由于自身硬化過(guò)程中的收縮變形，以及內(nèi)外溫差所引起的溫度應(yīng)力可能會(huì)超過(guò)混凝土最大允許拉應(yīng)力而造成開裂等現(xiàn)象.本文主要針對(duì)大體積筏板基礎(chǔ)在澆筑過(guò)程中因溫度變化而引起的應(yīng)力改變展開研究.上世紀(jì)末至今，日本、美國(guó)和蘇聯(lián)等國(guó)家的研究人員早已針對(duì)大體積混凝土開展了相關(guān)的研究[1-3]，討論分析了其相關(guān)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，并提出了一系列減緩溫差應(yīng)力效應(yīng)的方法，其成果成功應(yīng)用于世界上多個(gè)大型工程中.我國(guó)學(xué)者早期針對(duì)梅山大壩工程中的大體積混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)踐總結(jié)出了緩解溫度應(yīng)力效應(yīng)而導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的措施[4].朱伯芳院士根據(jù)大體積混凝土溫度場(chǎng)以及溫度徐變應(yīng)力的變化規(guī)律提出了自己的計(jì)算方法[5]；王鐵夢(mèng)在前述研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的提出了混凝土工程非線性溫度收縮裂縫[6]，對(duì)大體積混凝土工程中裂縫與溫度應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行了相應(yīng)的解釋，并且總結(jié)了溫度應(yīng)力下混凝土裂縫的計(jì)算方法；周勇[7]等采用沖擊共振的方法來(lái)獲得早齡期混凝土的動(dòng)態(tài)彈性模量，通過(guò)試驗(yàn)研究了骨料體積含量、不同粗骨料、粗骨料級(jí)配等因素的不同對(duì)早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響；劉敏義[8]針對(duì)混凝土溫度應(yīng)力造成的開裂問(wèn)題進(jìn)行了研究并提出了相應(yīng)的工程解決方案；于宗讓[9]經(jīng)過(guò)對(duì)大體積混凝土工程中的溫度應(yīng)力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，證明了在合理工程措施下大體積基礎(chǔ)混凝土一次性澆筑的可行性；陳波[10]采用了溫度應(yīng)力試驗(yàn)的方法，運(yùn)用了高精度傳感器來(lái)對(duì)早齡期混凝土彈性模量值進(jìn)行了測(cè)定，等等[11-14].本文以城市CBD核心區(qū)域基礎(chǔ)筏板大體積混凝土項(xiàng)目為工程依托，制定了合理的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案，并對(duì)監(jiān)測(cè)得到的溫度和應(yīng)力變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)；同時(shí)利用大型有限元軟件對(duì)該工程的溫度和應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行了計(jì)算，得到了相應(yīng)的分布形式和變化規(guī)律，以達(dá)到為后面的類似工程項(xiàng)目提供參考的目的.

1 混凝土溫度場(chǎng)計(jì)算理論

由于混凝土澆筑過(guò)程中受到外部條件的約束，其自身在發(fā)生水化熱反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，內(nèi)外散熱條件的不同導(dǎo)致的溫差變化將會(huì)表現(xiàn)出不同程度的溫度應(yīng)力.絕熱升溫過(guò)程線、導(dǎo)溫系數(shù)、線膨脹系數(shù)和比熱容[15]等是混凝土熱力學(xué)計(jì)算用到的關(guān)鍵參數(shù).計(jì)算過(guò)程中用到的混凝土熱傳導(dǎo)方程如下：

上述的熱傳導(dǎo)方程式定義了空間和時(shí)間對(duì)溫度的影響，但此方程無(wú)法得到唯一解，必須要對(duì)方程的初始條件和邊界條件加以限制，初始條件在分析前對(duì)溫度場(chǎng)函數(shù)進(jìn)行了指定，為T0(x,y,z)，因此有式：(x,y,z, 0) =T0(x,y,z).

2 工程概述

該CBD項(xiàng)目作為市地標(biāo)性建筑，建筑高度共518 m，其中地面以上共108層，地下設(shè)置4層.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，混凝土澆筑時(shí)分區(qū)分段進(jìn)行，如圖1中所示，地下室底板總面積 24 200 m2左右，樁閥底板厚約4.5 m，局部位置加厚至6.5 m，混凝土強(qiáng)度和防水等級(jí)分別為C50和P10.

圖1 筏板基礎(chǔ)分區(qū)圖

施工過(guò)程中，塔樓區(qū)和TL-1區(qū)同步進(jìn)行，塔樓區(qū)底板澆筑時(shí)一次性用量 22 260 m3，同時(shí)在TL-1區(qū)域和周圍澆筑 1 628 m3混凝土，其余部位根據(jù)分區(qū)位置分別進(jìn)行澆筑和施工.為了保證大體積筏板基礎(chǔ)整體澆筑混凝土?xí)r的工程質(zhì)量，防止因溫度應(yīng)力造成開裂事故，需要擬定安全合理的溫度場(chǎng)及應(yīng)變監(jiān)測(cè)方案.

3 溫度監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備與測(cè)點(diǎn)布置

采用振弦式應(yīng)變傳感器YT-3600，該傳感器共有4條測(cè)線，其中紅黑線口用于監(jiān)測(cè)振弦得到應(yīng)力變化，白綠線口可以測(cè)得實(shí)時(shí)溫度，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)線、便攜式采集儀組成，圖2所示為傳感器組成部件和監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

圖2 振弦式溫度應(yīng)力采集儀和監(jiān)控設(shè)備組成

測(cè)點(diǎn)位置確定在塔樓區(qū)地下室基礎(chǔ)筏板處，根據(jù)《大體積混凝土溫度測(cè)控技術(shù)規(guī)范》[15]，一共在該位置中間、邊緣和距離邊緣1/2處布置3個(gè)測(cè)位，每個(gè)測(cè)位按正三角形形狀排列3個(gè)控制點(diǎn)(上部、中部、下部)，控制點(diǎn)間距為600 mm，上部控制點(diǎn)距離底板頂面80 mm，中部控制點(diǎn)位于底板中間，下部控制點(diǎn)距底板底面200 mm.控制點(diǎn)位置預(yù)先布設(shè)中空鋼管預(yù)埋件，以便于固定傳感器.測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示.

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

在監(jiān)測(cè)混凝土應(yīng)變的過(guò)程中，內(nèi)部水化熱的過(guò)程會(huì)使得其體積發(fā)生收縮和膨脹發(fā)生變化，此時(shí)混凝土的彈性模量也算隨之改變，因此我們通過(guò)測(cè)試得到的應(yīng)變不僅僅包含混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)變，還有混凝土由于自身體積變化所引起的時(shí)間上的徐變，但這一因素我們不考慮，這樣根據(jù)彈性模量計(jì)算得到的應(yīng)力將變得不準(zhǔn)確.在實(shí)際監(jiān)控過(guò)，專門設(shè)置了無(wú)應(yīng)力計(jì)來(lái)測(cè)量外荷載和徐變因素以外所帶來(lái)的應(yīng)變，即混凝土自身體積的改變.假設(shè)無(wú)應(yīng)力計(jì)得到的應(yīng)變?yōu)棣艧o(wú)，測(cè)點(diǎn)的總應(yīng)變?yōu)棣趴?，則混凝土實(shí)際的應(yīng)變大小為：ε實(shí)=ε總-ε無(wú).

在基礎(chǔ)筏板首次澆筑混凝土之前距離所有傳感器的初始數(shù)據(jù)并進(jìn)行歸零處理，在澆筑開始時(shí)進(jìn)行同步測(cè)量.混凝土齡期28 d，在28 d之內(nèi)制定不同的測(cè)量頻率來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：第1～4天每2 h采集一次；5～9天每4 h采集一次；10～15天每8 h采集一次；之后每天采集一次.

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，單組控制點(diǎn)在一個(gè)完整齡期內(nèi)的數(shù)據(jù)是109個(gè)，實(shí)際一共得到的數(shù)據(jù)共有300多個(gè)，數(shù)據(jù)量非常大.利用excel和origin進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，得到的測(cè)點(diǎn)2溫度變化如圖4所示，各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置不同控制點(diǎn)的溫度變化情況匯總?cè)绫?所示.

表1 不同測(cè)點(diǎn)溫度統(tǒng)計(jì)表

圖4 測(cè)點(diǎn)2不同控制點(diǎn)處溫度變化曲線

從監(jiān)控得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看：(1)所有測(cè)點(diǎn)的溫度在混凝土開始澆筑后迅速升高，尤其在澆筑后38～48 h 時(shí)間范圍內(nèi)便達(dá)到了最高溫峰值，最高可達(dá)到 73.9 ℃，發(fā)生在塔樓區(qū)中間位置中部區(qū)域.在這之后，溫度慢慢下降，在 280 h 以后逐漸恢復(fù)到大氣溫度；(2)澆筑后的混凝土同一水平層的溫度差異不是很大，豎向溫度差異變化明顯；(3)筏板基礎(chǔ)混凝土溫度場(chǎng)在豎向上呈現(xiàn)出中間高，上下部低的規(guī)律，水平向(筏板徑向)表現(xiàn)為中間區(qū)域溫度高，邊緣位置溫度低.

4 大體積混凝土溫度場(chǎng)模擬4.1 有限元模型的建立

本文選用MIDAS/GEN有限元軟件，模擬計(jì)算大體積筏板基礎(chǔ)混凝土硬化過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律.項(xiàng)目基礎(chǔ)采用樁閥基礎(chǔ)，地下室部分底板厚4.5 m，局部混凝土最大厚度達(dá)到6.4 m，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模.由于塔樓區(qū)基礎(chǔ)形狀規(guī)則并且對(duì)稱，為了建模的方便和減小計(jì)算量，采用1/4模型進(jìn)行有限元分析和計(jì)算.模型和測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示：

圖5 有限元模型及測(cè)點(diǎn)布置圖

4.2 仿真結(jié)果分析

圖6為計(jì)算得到的筏板基礎(chǔ)在不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布云圖.

圖6 不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布云圖

在初始澆筑時(shí)期，混凝土的溫度接近于大氣溫度約為20 ℃，隨著澆筑的不斷進(jìn)行，混凝土內(nèi)部開始發(fā)生水化熱反應(yīng)使得溫度急劇升高，由于筏板基礎(chǔ)較厚，水化熱產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)的進(jìn)行散熱，因此整個(gè)基礎(chǔ)底板表現(xiàn)為中上部溫度持續(xù)升高.當(dāng)澆筑后38 h，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量達(dá)到了峰值，基礎(chǔ)內(nèi)的溫度也進(jìn)一步升高，此時(shí)筏板基礎(chǔ)中間溫度達(dá)到了75 ℃，下表面溫度也到了72 ℃左右.可以看出，由于基礎(chǔ)筏板底部布置有墊層等，而上表面與大氣相接觸，因此底板底部保溫效果較好，混凝土向下方散熱比較困難，因此中部靠下方區(qū)域水化熱溫度相較于上方要高.

隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，混凝土水化熱反應(yīng)逐漸變緩，產(chǎn)生的熱量也越來(lái)越少，并且整個(gè)過(guò)程仍在不斷的向周圍環(huán)境散熱，結(jié)構(gòu)底板基礎(chǔ)的溫度也不斷降低，內(nèi)部高溫區(qū)域不斷縮小.在后續(xù)反應(yīng)中，核心區(qū)溫度仍在增加，混凝土內(nèi)外溫差差異也比較大，此時(shí)可能由于較大的溫度應(yīng)力而產(chǎn)生混凝土開裂等現(xiàn)象，因此在這一階段要特別注意內(nèi)外溫差變化，做好相應(yīng)的監(jiān)控和保護(hù)措施，使得筏板基礎(chǔ)整體溫度趨于平緩，防止混凝土裂縫的發(fā)生.圖7為布置測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線.

圖7 布置測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線

筏板基礎(chǔ)不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖如圖8，在混凝土澆筑完成后，底板上部和下部承受拉應(yīng)力，中部承受壓應(yīng)力，并且溫度應(yīng)力隨著時(shí)間不斷變大.從70 h以后，底板表面溫度應(yīng)力的范圍逐漸向基礎(chǔ)中心收縮，使得最后700 h時(shí)底板中心和邊緣位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，這在混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中要重點(diǎn)監(jiān)控.由于混凝土內(nèi)部不停地進(jìn)行水化熱反應(yīng)，使得內(nèi)部的溫度不斷升高并向中心集聚，將會(huì)導(dǎo)致筏板基礎(chǔ)的變形.

圖8 筏板基礎(chǔ)不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖

混凝土內(nèi)部溫度高，加上由于底板以下墊層的保溫隔熱作用，中心溫度一直保持在較高水平，混凝土表面通過(guò)與大氣的直接接觸進(jìn)行熱量的散失，過(guò)大的溫差會(huì)導(dǎo)致較大的溫度應(yīng)力產(chǎn)生.最終，混凝土內(nèi)部由于受熱膨脹也會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力.通過(guò)圖9所示的溫度應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度對(duì)比圖能夠看出，筏板基礎(chǔ)的上下表面受到的拉應(yīng)力都要略大于允許抗拉強(qiáng)度，中心拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于允許抗拉強(qiáng)度，因此提前采用合理有效的保溫措施來(lái)降低內(nèi)外溫差，對(duì)控制混凝土表面裂縫的出現(xiàn)有明顯效果.

圖9 A測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)力與允許抗拉強(qiáng)度

5 結(jié)語(yǔ)

本文以城市CBD大體積筏板基礎(chǔ)混凝土項(xiàng)目為依托，通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得了筏板基礎(chǔ)在不同水化熱時(shí)期的溫度和應(yīng)力變化情況，總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)施工中混凝土溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，并建模對(duì)大體積混凝土的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)求解計(jì)算，對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值方法的正確性.經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析，可以得出大體積混凝土在水化熱初期升溫迅速，由于內(nèi)外散熱不均會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，混凝土上下表面受拉可能超過(guò)允許抗拉強(qiáng)度而導(dǎo)致表面裂紋的出現(xiàn)，合理的保溫措施應(yīng)安排在澆筑開始后70 h內(nèi).