不同季節(jié)下大體積混凝土溫度及應(yīng)力研究

潘云富，馮 偉，施 勇，金鵬舉，宋東升，胡忠存

(1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中交海洋投資控股有限公司，海南 三亞 572019；3.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

0 引 言

大體積混凝土結(jié)構(gòu)因抗壓強(qiáng)度高、耐久性好、施工方便，在水工、橋梁、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，但其在施工及使用中受到外界環(huán)境、混凝土本身、施工工藝等的影響容易開(kāi)裂[1]。為解決這一主要問(wèn)題，20世紀(jì)以來(lái)許多學(xué)者參與大體積混凝土的研究，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于大體積混凝土的研究進(jìn)展迅速，在溫度裂縫控制方面也形成了較為全面的理論計(jì)算和施工方法，并在許多實(shí)際工程中加以應(yīng)用。朱伯芳[2]經(jīng)過(guò)多年對(duì)大體積混凝土的研究，形成了較為完整的理論分析體系與分析方法，為后期的許多實(shí)際工程應(yīng)用提供了很大借鑒；Choi Won-Chang等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)篩選出理想的潛熱材料，評(píng)估使用PCM降低大體積混凝土水化熱的可行性，研究表明鋇基PCM具有良好的潛熱性能，有助于防止混凝土出現(xiàn)溫度裂縫。Ahad Muhammad Zeeshan等[4]也通過(guò)類(lèi)似實(shí)驗(yàn)證明摻粉煤灰混凝土水化熱和混凝土溫升峰值低；蔡文俊、趙佩穎、黃文廣等[5-7]研究了高溫炎熱季節(jié)下大體積混凝土的裂縫控制，提出了適合高溫天氣采用的施工方法以及養(yǎng)護(hù)措施，不僅加快混凝土的施工，而且成功防止裂縫出現(xiàn)；鄧旭、孫啟冀等[8,9]從混凝土施工和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、保溫方法等方面研究了如何在低溫寒冷季節(jié)下避免大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。

從過(guò)去對(duì)大體積混凝土影響因素的研究中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因素對(duì)混凝土的溫度變化影響很大，但在已有的研究中，環(huán)境因素對(duì)溫度的影響主要集中于在炎熱或者寒冷條件等單一因素作用下，而對(duì)于不同季節(jié)下的多種因素對(duì)混凝土聯(lián)合作用下的研究較少。為此，本文結(jié)合三亞市中交海南總部基地項(xiàng)目B地塊大體積混凝土筏板基礎(chǔ)施工資料，在其他條件相同的情況下，利用MIDAS FEA有限元軟件分別模擬三亞地區(qū)1月份、4月份、7月份、10月份四個(gè)季節(jié)的混凝土溫度變化，在不采取其他溫度控制措施的條件下，探究不同季節(jié)下大體積混凝土溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的變化規(guī)律，為該地區(qū)相關(guān)工程施工提供參考。

1 概 述

不同的季節(jié)對(duì)大體積混凝土溫度變化的影響因素有很多，如氣溫、風(fēng)速、濕度、土壤溫度等[10]。為突出主要因素，本文從已有研究基礎(chǔ)中總結(jié)出不同季節(jié)主要從環(huán)境溫度、風(fēng)速、澆筑溫度三個(gè)方面影響大體積混凝土的溫度變化，因此采用此三者為本次研究變量。澆筑溫度影響混凝土溫升初始值和溫升曲線最大值，并且澆筑溫度與混凝土水化速率成正比[11]，是混凝土溫度變化的起點(diǎn)；而環(huán)境溫度和風(fēng)速對(duì)混凝土與周?chē)h(huán)境的熱交換速率有很大影響，能加大或減小混凝土的散熱速度。根據(jù)三亞市氣象資料，1月份、4月份、7月份、10月份分別代表春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)，其地表平均溫度和平均風(fēng)速見(jiàn)表1，不同季節(jié)的澆筑溫度需進(jìn)一步計(jì)算確定。

表1 三亞氣象資料

本文以三亞市中交海南總部基地項(xiàng)目B地塊超高層筏板基礎(chǔ)工程為依托，研究不同季節(jié)下大體積混凝土溫度及溫度應(yīng)力變化，該筏板主體厚3.0 m，局部電梯井最厚處為8.7 m，采用C40 P8抗?jié)B混凝土一次澆筑施工，筏板基礎(chǔ)混凝土配合比見(jiàn)表2。為排除其他因素對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差，各季節(jié)除環(huán)境溫度、風(fēng)速、澆筑溫度不同外，其他現(xiàn)場(chǎng)施工條件均相同。

表2 筏板基礎(chǔ)混凝土配合比(kg/m3)

2 計(jì)算參數(shù)與有限元建模

2.1 變量取值

2.1.1 澆筑溫度

澆筑溫度是影響混凝土溫度時(shí)變過(guò)程中的一個(gè)重要因素，在工程分析中一般在現(xiàn)場(chǎng)用溫度計(jì)測(cè)量取值，而其作為本工程的變量用公式(1)進(jìn)行理論計(jì)算：

TP=T1+(Ta+R/β-T1)(φ1+φ2)

(1)

式中：TP為澆筑溫度，℃；T1為材料存放溫度，℃；Ta為氣溫，℃；R為太陽(yáng)輻射熱量；β為放熱系數(shù)；φ1、φ2為溫度變化系數(shù)。

由公式1可以看出，混凝土澆筑溫度大小主要與所處環(huán)境溫度這一因素有關(guān)，可粗略表示為澆筑溫度與環(huán)境溫度成正比。為簡(jiǎn)化計(jì)算，同時(shí)保證混凝土冬季澆筑溫度不低于5 ℃，夏季不高于30 ℃[12]，本文混凝土澆筑溫度根據(jù)對(duì)應(yīng)月份環(huán)境溫度取值，即1月份、4月份、7月份、10月份澆筑溫度分別為21.6 ℃、27 ℃、29 ℃、24 ℃。

2.1.2 放熱系數(shù)

放熱系數(shù)是指混凝土表面與空氣熱交換的快慢，其大小主要受風(fēng)速影響，?？捎霉?2)、(3)計(jì)算：

粗糙平面：β=23.9+14.50va

(2)

光滑平面：β=21.8+13.53va

(3)

式(2)(3)中，va表示風(fēng)速，m/s；β為放熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)。

混凝土表面為粗糙平面，根據(jù)上述已知的各月份風(fēng)速，利用公式(3)計(jì)算可得1月份、4月份、7月份、10月份的混凝土放熱系數(shù)分別為63.05、57.25、55.80、64.50 kJ/(m2·h·℃)。

2.1.3 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度直接根據(jù)武漢地區(qū)月平均氣溫取值，計(jì)算時(shí)假定環(huán)境溫度為常量，1月份、4月份、7月份、10月份的環(huán)境溫度分別為21.6、27、29、24 ℃。

2.2 主要計(jì)算參數(shù)

本文主要研究不同季節(jié)下的環(huán)境溫度、風(fēng)速、澆筑溫度對(duì)混凝土溫度場(chǎng)的影響，其余計(jì)算參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算取值，1月份、4月份、7月份、10月份其余計(jì)算參數(shù)取值相同。利用MIDAS FEA有限元軟件分析混凝土溫度場(chǎng)時(shí)，主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3，邊緣支撐、對(duì)接條件等混凝土和地基的邊界條件均按實(shí)際情況設(shè)置。

表3 主要計(jì)算參數(shù)

2.3 有限元模型

參數(shù)設(shè)置完畢后，定義施工階段以及分析工況，即可完成建模，基礎(chǔ)的仿真實(shí)體模型計(jì)算澆筑后400 h內(nèi)的溫度變化及應(yīng)力發(fā)展，以A點(diǎn)(7.8 m厚)為參考點(diǎn)，分析其表面、中部、底部位置溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力在不同季節(jié)下的變化情況，如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)模型圖

3 溫度場(chǎng)分析

有限元軟件計(jì)算完成后，筏板基礎(chǔ)A測(cè)點(diǎn)表面、中心、底部位置在各季節(jié)的溫度場(chǎng)以及A測(cè)點(diǎn)附近內(nèi)外溫差如圖2所示。

由圖2可以看出，各季節(jié)在表面、中心、底部位置的溫度曲線符合大體積混凝土溫度變化特征且曲線變化趨勢(shì)大致相同。1月份、4月份、7月份、10月份的表面對(duì)流系數(shù)相差不多，因此混凝土放熱速度變化不大。各季節(jié)混凝土內(nèi)外溫差曲線相似，溫差峰值分別為48.0、48.96、48.81、49.63 ℃。本研究中，氣溫與澆筑溫度基本相同且混凝土未采取表面保溫措施，各季節(jié)混凝土表面放熱快，溫度曲線較平緩，而混凝土導(dǎo)熱性差，內(nèi)部散熱慢、溫度高，不采取表面保溫會(huì)增大混凝土的內(nèi)外溫差，側(cè)面驗(yàn)證了大體積混凝土表面保溫的重要性；底部混凝土降溫最慢，在整個(gè)降溫階段的降溫速度變化不大。各季節(jié)混凝土內(nèi)部最高溫度分別為75.06、80.46、82.46、77.46 ℃，降溫階段表現(xiàn)為前期溫度下降較快，后期表里溫差越小，內(nèi)部降溫越慢；混凝土內(nèi)部最高溫度與澆筑溫度成正比，澆筑溫度越高，溫度峰值越大，7月份混凝土最高溫度比1月份高約7.5 ℃。溫度場(chǎng)分析結(jié)果表明，三亞地區(qū)全年平均溫度均較高，冬季的環(huán)境溫度、對(duì)流系數(shù)、入模溫度對(duì)大體積混凝土的溫度控制更有利，大體積混凝土的澆筑施工可選擇在冬季進(jìn)行。

圖2 各季節(jié)溫度場(chǎng)和內(nèi)外溫差

4 溫度應(yīng)力分析

上述A測(cè)點(diǎn)溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)的混凝土表面、中心、底部位置的溫度應(yīng)力如圖3所示。

圖3 各季節(jié)溫度應(yīng)力與允許應(yīng)力

相同季節(jié)內(nèi)混凝土表面、中心、底部位置的允許應(yīng)力不同，且相同位置不同季節(jié)的允許應(yīng)力也不同，但差別不大，總體表現(xiàn)為相同季節(jié)中心允許應(yīng)力增長(zhǎng)最快，表面允許應(yīng)力增長(zhǎng)最慢；不同季節(jié)下，夏季允許應(yīng)力增長(zhǎng)最快，冬季最慢，最終逐漸趨于一致。各季節(jié)表面應(yīng)力變化曲線相似，但相同時(shí)間對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值不同，即使各季節(jié)內(nèi)外溫差基本相同，然而不同季節(jié)溫度應(yīng)力極值相差很大，1月份、4月份、7月份、10月份的拉應(yīng)力極值均出現(xiàn)在表面位置，分別為2.62、3.18、4.35、3.56 N/mm2。且夏季在混凝土澆筑后16～112 h內(nèi)溫度應(yīng)力超過(guò)允許應(yīng)力，冬季在混凝土澆筑后20～88 h內(nèi)溫度應(yīng)力超過(guò)允許應(yīng)力，夏季更容易在混凝土表面位置出現(xiàn)裂縫。各季節(jié)中心位置均表現(xiàn)為澆筑后一段時(shí)間內(nèi)受壓，隨著溫度應(yīng)力的增大，中心位置開(kāi)始受拉并在110 h左右達(dá)到峰值；伴隨著混凝土的降溫，溫度應(yīng)力逐漸減小，各季節(jié)中心應(yīng)力基本都低于允許應(yīng)力，混凝土開(kāi)裂可能較小；各季節(jié)底部位置基本處于受壓狀態(tài)，一般不會(huì)出現(xiàn)裂縫。綜上可見(jiàn)，不同季節(jié)澆筑的大體積混凝土表面位置容易開(kāi)裂，應(yīng)及時(shí)采取保溫防裂措施；混凝土在夏季澆筑時(shí)溫度應(yīng)力最大，也最容易開(kāi)裂，冬季澆筑的大體積混凝土溫度應(yīng)力最較小，開(kāi)裂概率相對(duì)較低，因此三亞地區(qū)可選擇在冬季澆筑大體積混凝土。

5 結(jié) 論

(1)各季節(jié)溫度曲線變化趨勢(shì)大致相同，混凝土各位置溫度在夏季最高，在冬季最低。在未采取其他溫控措施的情況下，各季節(jié)表面散熱都很快，溫度下降大致呈一條平直線；底部位置降溫最慢，且降溫速度變化不大；冬季施工時(shí)，大體積混凝土筏板基礎(chǔ)的溫度峰值、溫差較小，有利于混凝土的溫度控制。

(2)相同季節(jié)內(nèi)混凝土不同位置的允許應(yīng)力不同，且相同位置不同季節(jié)的允許應(yīng)力也不同，但差別不大，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸趨于一致。

(3)各季節(jié)混凝土內(nèi)外溫差大致相同，但與之對(duì)應(yīng)的溫度應(yīng)力大小差別較大，夏季時(shí)溫度應(yīng)力最高，冬季最低。在不采取保溫措施的情況下，各季節(jié)表面位置易出現(xiàn)裂縫；此外，與其他季節(jié)相比，夏季澆筑的大體積混凝土更易開(kāi)裂，冬季澆筑的大體積混凝土開(kāi)裂概率相對(duì)較低。