陳果，楊霞，楊亮

（重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)建筑的要求也在不斷提高[1-2]。我國(guó)建筑業(yè)朝著高大、深厚和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的方向不斷演進(jìn)。近年來(lái)摩天大樓、跨海大橋、海底隧道等越來(lái)越多的大體積混凝土工程不斷涌現(xiàn)[3-4]。不同于普通的混凝土工程，大體積混凝土工程是指在工用或民用建筑中，容易由溫度收縮應(yīng)力引起裂縫的結(jié)構(gòu)[5-7]。由于混凝土中水泥水化放熱的特性，大體積混凝土結(jié)構(gòu)通常在早期因?yàn)闇囟葢?yīng)力而開(kāi)裂，影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，對(duì)建筑產(chǎn)生危害[8]。因此，研究大體積混凝土內(nèi)部的溫度場(chǎng)以及溫度應(yīng)力，對(duì)深入研究混凝土早期放熱行為，深化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)施工工藝，提高建筑質(zhì)量具有重要的科研價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[9]。

試驗(yàn)使用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)大體積混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，對(duì)影響混凝土溫度應(yīng)力的因素進(jìn)行了分析，結(jié)合工程實(shí)踐為工程中控制混凝土溫度應(yīng)力提供了指導(dǎo)。

1 模擬分析步驟

選擇FEM法和有限元分析軟件ABAQUS對(duì)大體積混凝土構(gòu)件的內(nèi)部溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力分布進(jìn)行模擬分析。數(shù)值模擬分析一般包括模型建立、參數(shù)設(shè)置、總裝求解、數(shù)據(jù)模擬、結(jié)果分析與評(píng)價(jià)幾個(gè)過(guò)程，具體操作步驟見(jiàn)圖1。

圖1 大體積混凝土溫度應(yīng)力模擬分析一般過(guò)程

2 工程實(shí)例模擬研究

2.1 計(jì)算對(duì)象選取和網(wǎng)格劃分

工程模型選擇大體積混凝土樁承臺(tái)構(gòu)件，以混凝土構(gòu)件與土壤實(shí)體進(jìn)行建模?；炷脸信_(tái)構(gòu)件尺寸為19.2m×4.5m×2.2m，樁長(zhǎng)8.0m，土壤尺寸20m×5m×15m。根據(jù)具體研究結(jié)構(gòu)模型的對(duì)稱性，選擇結(jié)構(gòu)的1/4對(duì)稱部分為運(yùn)算模型，采用八節(jié)點(diǎn)熱耦合六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。研究過(guò)程包括從澆注混凝土開(kāi)始至水泥發(fā)熱結(jié)束。由于實(shí)際施工采用水管冷卻，因此在建模時(shí)將其放入（圖2）。

圖2 三種水管布局下的模型圖

2.2 基本參數(shù)和實(shí)驗(yàn)分組

根據(jù)水泥水化熱常數(shù)表，可以查得普通硅酸鹽水泥Qo=330kJ/kg。材料及其熱特性值參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

冷卻水管通過(guò)對(duì)流換熱的方式冷卻承臺(tái)梁，在計(jì)算中直接計(jì)算出相應(yīng)對(duì)流換熱系數(shù)并應(yīng)用于ABAQUS中來(lái)計(jì)算散熱效果。針對(duì)混凝土強(qiáng)度、流速、冷卻路徑長(zhǎng)度、管徑、外界氣溫、桶水溫度、流量等工況，進(jìn)行分組模擬研究。其對(duì)流換熱系數(shù)分別為564w/（m2·k）、710 w/（m2·k）和982 w/（m2·k）。 計(jì)算中，土壤底部固定，四周固定法向的位移，并增加恒溫293.15K的溫度條件，初始溫度為293.15K。溫度邊界面設(shè)置的溫度條件為293.15K。整個(gè)模型施加9.8m/s2重力載荷。

考慮多因素水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，如表2所示。

2.3 結(jié)果和分析

2.3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

表2 正交試驗(yàn)表

試驗(yàn)1溫度及應(yīng)力數(shù)據(jù)模擬，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)1溫度及應(yīng)力數(shù)據(jù)模擬圖

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析表

同樣，改變相應(yīng)參數(shù)后運(yùn)行軟件，可以得到其他實(shí)驗(yàn)組的溫度及應(yīng)力數(shù)據(jù)模擬圖。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析和討論

正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析如表3所示。

通過(guò)以上正交試驗(yàn)方案進(jìn)行多因素多變量數(shù)值仿真試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析。

（1）冷卻水溫度

試驗(yàn)研究分析了冷卻水溫在 0℃、10℃、20℃時(shí)混凝土的溫度，得到各種情況下的溫度應(yīng)力圖。在一定的溫度范圍內(nèi)，冷卻水溫越低，水管和混凝土的溫差越大，冷卻效果越好。但人工獲得低溫冷卻水費(fèi)用較高，不易控制水管與混凝土之間的溫差，當(dāng)冷卻管對(duì)混凝土的溫差過(guò)大時(shí)，會(huì)引起預(yù)埋冷卻管周圍的混凝土開(kāi)裂。因此，當(dāng)考慮采用降低冷卻水溫來(lái)提高冷卻效果時(shí)，應(yīng)慎重。通過(guò)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，冷卻水溫度R值最大，對(duì)大體積混凝土性能影響最大。在實(shí)際施工過(guò)程中，若混凝土強(qiáng)度處于C50以下，采用較低冷卻水溫為宜，混凝土強(qiáng)度若高于C50，可適當(dāng)提高冷卻水溫度，10℃為宜。

（2）冷卻水流量

冷卻水在水管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)可分為層流和紊流，紊流帶走的熱量要比層流大。冷卻水流速較小時(shí)，水流以層流狀態(tài)流動(dòng)，超過(guò)臨界速度時(shí)，進(jìn)入紊流狀態(tài)，因此管內(nèi)水流速度必須保持足夠大。根據(jù)實(shí)際工程，一般來(lái)說(shuō)水流速取臨界流速的3～4倍為宜。

（3） 水管間距

水管間距包括水平間距和豎直間距，研究采用的正交試驗(yàn)，僅分析水平間距的影響。冷卻速度是和管距的平方成反比的，管距減小時(shí)，冷卻速度迅速增加。研究采用3種 間 距 ：1.92m、2.25m 和2.4m，三種間距下的冷卻效果均可接受，且冷卻效果隨間距減小而提高?；炷馏w積較大時(shí)，冷卻水管過(guò)于密集會(huì)使管材用量急劇增長(zhǎng)，提高成本。分析正交試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水管間距控制在1～3m左右是合理的。若混凝土強(qiáng)度較高，可適量減小水管間距。

（4） 冷卻路徑

通過(guò)3組短距離冷卻路徑進(jìn)行定性分析發(fā)現(xiàn)，冷卻路徑長(zhǎng)的冷卻效果最好，且冷卻路徑的R值與冷卻水間距R值相近，對(duì)混凝土性能的影響比較突出。

為了使流量在各管圈內(nèi)盡可能均勻分配，應(yīng)使各管圈的長(zhǎng)度大體相近。水管中的水流溫度沿程變化：沿水管離進(jìn)水口越遠(yuǎn)，水溫越高；單根水管越長(zhǎng)，水管進(jìn)口水溫與出口水溫相差越大。這樣在同一澆筑層的混凝土冷卻效果不均勻，實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)引起重視。

（5）混凝土強(qiáng)度等級(jí)及大氣溫度

正交試驗(yàn)方案水平選取中，混凝土等級(jí)是C30、C40、C50，大氣溫選取為15℃及40℃。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和大氣溫度對(duì)其冷卻效果影響相對(duì)其他因素較小，在沒(méi)有極端氣溫的條件下施工，根據(jù)國(guó)家規(guī)范的保溫養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行即可。

3 工程實(shí)例

重慶某高架車站工程以上述有限元分析模型為基礎(chǔ)，建立了大體積混凝土預(yù)埋冷卻水管內(nèi)部溫度控制體系。工程采用20mm管徑鋼管，并進(jìn)行無(wú)縫焊接，循環(huán)冷卻水管沿底板高度方向多層布置，每隔0.8m設(shè)置一層循環(huán)水管，上下各距頂?shù)酌娲笥?.4m，水流量控制在1.3～1.5m3/h，通水溫度10℃。冷卻設(shè)計(jì)達(dá)到了實(shí)際效果，降低了混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，保障了施工質(zhì)量，延長(zhǎng)了工程耐久性。

4 結(jié)論

（1）本文對(duì)大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，確定了影響大體積混凝土溫度應(yīng)力控制的關(guān)鍵因素及其影響程度。

（2）根據(jù)分析結(jié)果與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出高效預(yù)埋冷卻水管的大體積混凝土施工參考意見(jiàn)，為類似工程提供有價(jià)值的參考，見(jiàn)表4。

表4 大體積混凝土中預(yù)埋冷卻水管建議表

怎樣防治混凝土氣泡的產(chǎn)生

在施工中，應(yīng)重視混凝土的強(qiáng)度，但混凝土氣泡同樣不容忽視。如果混凝土表面出現(xiàn)大量氣泡，將減少鋼筋混凝土保護(hù)層的有效厚度，加速混凝土表面碳化進(jìn)程，同時(shí)氣泡較大也會(huì)減小混凝土構(gòu)件截面面積，影響混凝土強(qiáng)度。

1 氣泡的防治

（1）加強(qiáng)與預(yù)拌混凝土廠家聯(lián)系，優(yōu)化預(yù)拌混凝土技術(shù)合同，增加單方水泥用量，降低粉煤灰等摻合料用量。

（2）加強(qiáng)模板清理和脫模劑采購(gòu)質(zhì)量的控制，同時(shí)采用滾刷涂刷均勻，最后采用膠皮刮子將多余脫模劑刮掉，不得存在堆積流淌的現(xiàn)象。

（3）加強(qiáng)勞務(wù)分包混凝土班組，尤其是振搗工的交底工作，減少一次澆筑混凝土的厚度，科學(xué)合理地控制振搗時(shí)間。

2 實(shí)施效果

按照以上措施對(duì)預(yù)拌混凝土、模板清理、脫模劑正確使用、混凝土澆筑振搗等方面嚴(yán)格控制，通過(guò)拆模后跟蹤檢查，混凝土氣泡得到了有效控制，做到了“外堅(jiān)內(nèi)美”，保證了混凝土觀感質(zhì)量。