溫度因素對(duì)大體積混凝土施工質(zhì)量影響的有限元分析

王 俊，郭 鑫，邱文會(huì)，李營(yíng)營(yíng)

(1.許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000；2.中建七局建筑裝飾工程有限公司，河南 鄭州 450003；3.河南金諾混凝土有限公司，河南 許昌 461000；4.許昌大成實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

隨著“一帶一路”倡儀推進(jìn)，我國(guó)基建規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，高層建筑中的大體積混凝土施工的質(zhì)量控制問(wèn)題日益凸顯[1].大體積混凝土在澆筑后產(chǎn)生大量的水化熱，表面溫度與大氣接觸使其熱量易散發(fā)，而混凝土內(nèi)部熱量卻得到有效儲(chǔ)存，致使混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大引發(fā)溫度應(yīng)力裂縫[2].混凝土澆筑時(shí)入模溫度和環(huán)境溫度對(duì)大體積混凝土施工質(zhì)量有重要影響[3，4].以某2 m厚筏板基礎(chǔ)為研究對(duì)象，采用MIDAS-FEA軟件進(jìn)行分析研究.研究結(jié)果可以為大體積混凝土施工時(shí)提供參考.

1 有限元模型

某工程筏板基礎(chǔ)厚2 m，采用28 d齡期強(qiáng)度C40P6混凝土，澆筑量近1萬(wàn)m3，混凝土配合比如下表1所示.

表1 28 d齡期強(qiáng)度C40P6混凝土配合比

澆筑工作分三段進(jìn)行施工，屬于大體積混凝土施工，施工時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部未加設(shè)冷卻管.有限元分析對(duì)象為筏板基礎(chǔ)Ⅱ段，尺寸為44 m×33.95 m×2 m，具有對(duì)稱性，故取1/4進(jìn)行建模和分析.為了準(zhǔn)確反映底板的約束情況及水化熱的傳播過(guò)程，在筏板基礎(chǔ)底部設(shè)置厚度4 m地基.采用六面體單元作為結(jié)構(gòu)計(jì)算單元，單元尺寸為0.5 m正方體，模型共有節(jié)點(diǎn)51 759個(gè)，單元53 856個(gè).圖1所示的小長(zhǎng)方體模擬筏板基礎(chǔ)，大長(zhǎng)方體模擬地基.

圖1 有限元模型

模型中將(-x，z)正對(duì)稱面上的單元節(jié)點(diǎn)設(shè)置為Y方向?qū)ΨQ約束，將(y，z)側(cè)對(duì)稱面上的單元節(jié)點(diǎn)設(shè)置為X方向?qū)ΨQ約束；地基底部所有節(jié)點(diǎn)設(shè)置為20 ℃，以便模擬真實(shí)溫度受力狀態(tài)；筏板基礎(chǔ)上表面對(duì)流邊界系數(shù)從軟件庫(kù)中調(diào)取，混凝土絕熱溫升值為熱源函數(shù).

擬定工程筏板基礎(chǔ)一次性澆筑完成，故定義一個(gè)水化熱施工階段，將地基、筏板基礎(chǔ)、對(duì)流邊界以及熱源函數(shù)等一次性激活.在Midas Fea軟件對(duì)大體積混凝土筏板基礎(chǔ)運(yùn)行求解分析后，大體積混凝土筏板基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足大體積混凝土施工溫控指標(biāo)[5，6].

提取筏板基礎(chǔ)自澆筑后360 h的溫度及應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，分別分析入模溫度、環(huán)境溫度因素對(duì)結(jié)構(gòu)上、中、下幾個(gè)區(qū)域代表性節(jié)點(diǎn)峰值溫度和峰值應(yīng)力的影響規(guī)律.

2 入模溫度對(duì)大體積混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響

2.1 溫度場(chǎng)分析

混凝土熱源函數(shù)為60.3 ℃，在基礎(chǔ)表面設(shè)置空氣對(duì)流邊界，對(duì)流系數(shù)為13 W/(m2·℃)，混凝土表面自然散熱.在筏板基礎(chǔ)上不布置冷卻系統(tǒng)，施工環(huán)境溫度設(shè)定為30 ℃，分別模擬20、25、30 ℃三種入模溫度工況下，分析大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同位置的溫度變化規(guī)律.選取結(jié)構(gòu)上、中、下區(qū)域的代表性節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線，如圖2所示.

上表面節(jié)點(diǎn)

由圖2可知，對(duì)于筏板基礎(chǔ)中心節(jié)點(diǎn)，入模溫度為20、25、30 ℃時(shí)，峰值溫度分別為67.4、71.9、76.6 ℃，在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值分別為47.5、46.9、46.6 ℃，均低于50 ℃，滿足大體積混凝土施工溫控指標(biāo)[5].表明入模溫度每降低5 ℃，中心溫度近似降低4.6 ℃.

對(duì)上表面節(jié)點(diǎn)，三種入模溫度下的峰值溫度分別為41.4、42.5、43.6 ℃，在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值分別為21.4、17.5、13.6 ℃.表明入模溫度每降低5 ℃，上表面溫度近似降低1.1 ℃.對(duì)下表面節(jié)點(diǎn)，三種入模溫度下的峰值溫度分別為49、53.6、58.3 ℃，在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值分別為29、28.6、28.3 ℃，表明入模溫度每降低5 ℃，下表面溫度降低4.7 ℃.

由于上表面散熱較快，受入模溫度影響不顯著，但中、下節(jié)點(diǎn)入模溫度增量與各節(jié)點(diǎn)的溫升數(shù)據(jù)比較接近.中上里表溫差依次為26.0、29.4、33.0 ℃，中下里表溫差依次是18.4、18.3 ℃、18.3 ℃，表明入模溫度對(duì)中上里表溫差影響明顯，對(duì)中下里表溫差影響不大，對(duì)降低中上區(qū)域的溫度應(yīng)力是有利的.

2.2 溫度應(yīng)力場(chǎng)分析

不同入模溫度下大體積混凝土筏板基礎(chǔ)內(nèi)部不同區(qū)域的溫度應(yīng)力時(shí)程曲線如圖3所示.

上表面節(jié)點(diǎn)

由圖3可知，不同入模溫度對(duì)筏板基礎(chǔ)溫度應(yīng)力有影響.對(duì)于筏板基礎(chǔ)上表面節(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)力，入模溫度為20、25、30 ℃時(shí)，應(yīng)力最大值分別為3.30、3.45、3.64 MPa.入模溫度每降低5 ℃，上表面節(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)力近似降低0.17 MPa，下降了4.7%；對(duì)于筏板基礎(chǔ)下表面節(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)力，入模溫度為20、25、30 ℃時(shí)，應(yīng)力最大值分別為1.75、1.88、2.01 MPa，入模溫度每降低5 ℃，下表面節(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)力近似降低0.13 MPa，下降了6.5%，比上表面節(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)力降低幅度大.結(jié)果表明，筏板基礎(chǔ)上、下表面溫度應(yīng)力隨入模溫度的降低而減小，降低入模溫度可有效降低溫度應(yīng)力峰值，防止溫度裂縫的產(chǎn)生.

在具體工程案例實(shí)踐中，在入模溫度30.4 ℃，環(huán)境溫度29.6 ℃，澆筑完成后蓄水12 cm養(yǎng)護(hù)的情況下，有限元分析結(jié)果表明，上表面峰值應(yīng)力為2.80 MPa，下表面峰值應(yīng)力為1.64 MPa[7-9].施工完成后，對(duì)大體積混凝土進(jìn)行了裂縫檢測(cè)，結(jié)果表明未有出現(xiàn)應(yīng)力裂縫，表明有限元計(jì)算的應(yīng)力偏高.

3 環(huán)境溫度對(duì)大體積混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響

運(yùn)用Midas Fea有限元模型，對(duì)不同環(huán)境溫度條件下的筏板基礎(chǔ)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，混凝土仍采用表1中的PHB-28，熱源函數(shù)為60.3 ℃，入模溫度為30 ℃.在筏板基礎(chǔ)表面設(shè)置空氣對(duì)流邊界，在大體積混凝土筏板基礎(chǔ)上不布置管冷系統(tǒng).

3.1 溫度場(chǎng)分析

分別模擬環(huán)境溫度為10、20、30 ℃情況下大體積混凝土溫度場(chǎng).選取幾個(gè)代表性節(jié)點(diǎn)，繪制其溫度時(shí)程曲線如圖4所示.

由圖4可知，對(duì)于筏板基礎(chǔ)中心節(jié)點(diǎn)溫度，環(huán)境溫度為10、20、30 ℃時(shí)，中心峰值溫度分別為74.8、75.7、76.5 ℃，在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值分別為44.8、45.7、46.5 ℃，均小于50 ℃，滿足大體積混凝土施工溫控指標(biāo).環(huán)境溫度每降低10 ℃，中心溫度近似降低0.9 ℃，表明環(huán)境溫度對(duì)中心節(jié)點(diǎn)溫度影響不大.

(a)上表面節(jié)點(diǎn)

對(duì)上表面節(jié)點(diǎn)，三種環(huán)境溫度條件下的峰值溫度分別為28.6、36.0、43.6 ℃，在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值分別為-1.4、6、13.6 ℃.環(huán)境溫度每降低10 ℃，上表面溫度近似降低7.5 ℃，表明上表面節(jié)點(diǎn)溫度受環(huán)境溫度影響較大.

對(duì)于下表面節(jié)點(diǎn)，三種環(huán)境溫度下的峰值溫度分別為57.4、57.8、58.3，在入模溫度基礎(chǔ)上溫升峰值分別為27.4、27.8、28.3 ℃.環(huán)境溫度每降低10 ℃，下表面溫度近似降低0.45 ℃，表明下部節(jié)點(diǎn)受環(huán)境溫度影響較小.

外界環(huán)境溫度對(duì)上表面節(jié)點(diǎn)的溫度影響明顯，主因是環(huán)境溫度越低，結(jié)構(gòu)表面熱量散發(fā)相對(duì)較快；環(huán)境溫度每降低10 ℃，上表面溫度近似降低7.5 ℃.環(huán)境溫度對(duì)筏板基礎(chǔ)中心溫度和下表面溫度影響不大，但隨著環(huán)境溫度的降低，降溫速率加快.

3.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

三種環(huán)境溫度下，中上里表溫差依次為46.2、39.7、32.9 ℃，中下里表溫差依次是17.4、17.9、18.2 ℃，表明環(huán)境溫度對(duì)中上里表溫差影響明顯，且隨環(huán)境溫度升高，結(jié)構(gòu)內(nèi)部中上區(qū)域溫差反而降低，但對(duì)中下里表溫差影響不大.不同環(huán)境溫度對(duì)大體積混凝土筏板基礎(chǔ)內(nèi)部不同區(qū)域的溫度應(yīng)力時(shí)程曲線如圖5所示.

上表面節(jié)點(diǎn)

筏板基礎(chǔ)上表面節(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)力，環(huán)境溫度為10、20、30 ℃時(shí)，上表面溫度應(yīng)力最大值分別為3.78、3.72、3.64 MPa，表明環(huán)境溫度每降低10 ℃，上表面溫度應(yīng)力升高0.07 MPa，上增了1.9%.對(duì)于筏板基礎(chǔ)下表面節(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)力，三種環(huán)境溫度下溫度應(yīng)力最大值分別為2.24、2.13、2.0 MPa，表明環(huán)境溫度每降低10 ℃，下表面溫度應(yīng)力升高0.12 MPa，上增了6%；環(huán)境溫度對(duì)中心節(jié)點(diǎn)的溫度應(yīng)力影響很小.

結(jié)果表明，隨著環(huán)境溫度的降低，筏板基礎(chǔ)表面的溫度應(yīng)力越來(lái)越大.故在環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，盡量避免施工，且施工時(shí)務(wù)必采取保溫措施，大體積混凝土施工規(guī)范亦有明確要求[5].

在實(shí)際工程中，隨著環(huán)境溫度的升高，結(jié)構(gòu)內(nèi)部中上區(qū)域溫度應(yīng)力將會(huì)降低，這亦表明，炎熱天氣條件是大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工的“雙刃劍”，施工時(shí)要充分考慮這一“有利”因素.

4 結(jié)語(yǔ)

(1)降低入模溫度，可有效降低筏板基礎(chǔ)內(nèi)部峰值溫度，入模溫度每降低5 ℃，筏板基礎(chǔ)上表面和下表面溫度應(yīng)力分別近似降低4.7%、6.5%；入模溫度每降低5 ℃，上表面節(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)力下降4.7%，下表面節(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)力下降6.5%.

(2)環(huán)境溫度對(duì)上表面節(jié)點(diǎn)的溫度影響明顯，環(huán)境溫度每降低10 ℃，上表面溫度近似降低7.5 ℃，環(huán)境溫度對(duì)筏板基礎(chǔ)中心溫度和下表面溫度影響很??；環(huán)境溫度每增加10 ℃，上表面和下表面溫度應(yīng)力分別近似升高1.9%、6%，環(huán)境溫度對(duì)中心節(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)力影響很小.