常 杰

（中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京 101400）

大體積混凝土在硬化過程中由于水化熱的作用，其內(nèi)部溫度較高，與表面混凝土形成較高的溫度差，由于約束作用，導(dǎo)致其內(nèi)部溫度發(fā)生變化卻無法發(fā)生自由變形從而產(chǎn)生溫度約束應(yīng)力。當溫度應(yīng)力超過混凝土早期抗拉強度時即形成裂縫，控制混凝土出現(xiàn)早期裂縫的重要措施之一是減小溫度應(yīng)力，而控制溫差是減小應(yīng)力的最直接方式。實際施工時通過采取合理的澆筑形式以控制里表溫差在合理范圍。

陳兆榮通過有限元模擬大體積混凝土梁的水化過程，證明分層法澆筑可明顯降低大體積基礎(chǔ)梁的水化熱溫升，使內(nèi)外溫差維持在合理范圍內(nèi)，應(yīng)力也相應(yīng)小于允許應(yīng)力，有效控制了溫度裂縫的產(chǎn)生[1]。王繼祥利用Midas/FEA 中水化熱分析模塊，對大體積混凝土進行施工模擬后發(fā)現(xiàn)，分層施工澆筑可降低混凝土內(nèi)部最大溫升，實際澆筑過程中通過合理分層可以有效控制新老澆筑層之間的約束力，降低開裂風(fēng)險[2]。

通過有限元軟件模擬大體積混凝土的澆筑過程，根據(jù)得到的結(jié)果指導(dǎo)實際施工是目前常用的方法。劉國飛利用有限元軟件Midas/Civil 對承臺大體積混凝土施工期水化熱進行仿真計算，分析了水化熱變化規(guī)律及溫度分布規(guī)律，并與實際溫度監(jiān)測結(jié)果進行了對比分析，提出了合理的施工方案，據(jù)此指導(dǎo)現(xiàn)場溫度控制[3]。苗勝軍等人采用ANSYS 有限元軟件熱分析模塊對大體積承臺水化過程中的溫度場和溫度應(yīng)力進行了模擬研究，證明模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的一致性[4]。陳玉香等人通過采用有限元數(shù)值方法，分析了分層澆筑的大體積混凝土溫度場變化規(guī)律，結(jié)果表明分層澆筑的施工方法通過降低混凝土的峰值溫度，以避免溫度裂縫的產(chǎn)生[5]。傅蜀燕基于ANSYS建立大體積混凝土澆筑有限元模型，分析了實際工程中的水化熱問題，論證了模擬結(jié)果的可靠性，通過對澆筑過程的數(shù)值模擬分析，可尋找到最優(yōu)澆筑層數(shù)，縮短施工時間[6]。王錕采用ANSYS 軟件對某水電站大壩大體積混凝土溫度場進行模擬分析，證明了ANSYS 有限元軟件在混凝土溫控計算中的適用性，使用有限元軟件進行溫度仿真分析計算結(jié)果可靠，能夠為工程設(shè)計提供依據(jù)，可更真實地模擬大體積混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造[7]。趙健等人根據(jù)有限元模擬結(jié)果對大體積承臺施工采取了溫控措施，預(yù)防承臺混凝土水化熱及環(huán)境溫度變化引起的開裂現(xiàn)象發(fā)生[8]。經(jīng)證明，有限元軟件模擬得到的結(jié)果與實際結(jié)果具有高度一致性，結(jié)合具體工程，對大體積混凝土進行溫度場模擬，提高了解決工程實際問題的效率。

本文結(jié)合昆明市官渡區(qū)人民醫(yī)院項目筏板基礎(chǔ)工程，擬通過ANSYS 有限元軟件，分別模擬推移式分層澆筑與整體澆筑的過程，得到相應(yīng)的溫度場結(jié)果。對比兩種澆筑形式下的溫度變化規(guī)律，驗證推移式分層澆筑對大體積混凝土內(nèi)部峰值溫度及內(nèi)外溫差的控制效果，從而為實際施工提供理論依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

昆明市官渡區(qū)人民醫(yī)院遷建項目建設(shè)用地位于原巫家壩機場北端，項目總用地面積61 680m2，總建筑面積198 322m2，其中地上面積122 252m2，地下面積76 070m2。地下室筏板基礎(chǔ)厚度1.8m，根據(jù)整體幾何尺寸以及內(nèi)部水化將引起的劇烈溫度變化情況，考慮作為大體積混凝土編制施工方案。

1.2 施工方案初步設(shè)計

大體積混凝土分層澆筑方式主要分為三類：整體分層澆筑、推移式連續(xù)澆筑、斜面分層推移式澆筑。本工程作為面積較大、厚度不大的筏板基礎(chǔ)，擬采取推移式連續(xù)澆筑的施工方案。澆筑點不斷前推，澆筑點前面的混凝土形成自然流淌斜面，澆筑點后面的混凝土澆筑到設(shè)計標高。

2 有限元分析

2.1 模型的建立

選取局部筏板基礎(chǔ)作為分析對象，分別考慮整體一次澆筑與推移式連續(xù)澆筑的施工方法，結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 不同澆注形式下的有限元模型

其中分層澆筑過程通過ANSYS 單元生死過程實現(xiàn)，按照澆筑次序在特定時刻逐塊激活相應(yīng)的塊體或單元，實現(xiàn)順序澆筑過程的仿真。對全部節(jié)點的溫度自由度約束成起始澆筑溫度，通過刪除相應(yīng)溫度約束的方式，以使模擬所得的溫度場結(jié)果更為合理。

2.2 模型參數(shù)的確定

2.2.1 水化熱

水泥水化熱是影響混凝土溫度應(yīng)力的一個重要因素，實際溫度場計算中采用混凝土絕熱溫升θ，通常采用絕熱溫升試驗設(shè)備直接測定。水泥水化熱是依賴于齡期的，本文采用指數(shù)形式模擬水泥水化熱曲線?；炷两^熱溫升則根據(jù)水泥水化熱估算并通過生熱率HGEN實現(xiàn)，生熱率是混凝土生熱量對時間的導(dǎo)數(shù)，表示單位時間內(nèi)混凝土的生熱量。具體公式如下：

式中m——水泥的水化放熱系數(shù)；

Q0——齡期內(nèi)（通常為28d）單位質(zhì)量水泥水化放熱總量，根據(jù)現(xiàn)場施工混凝土配合比由經(jīng)驗確定；

t——齡期；

W——每m3混凝土膠凝材料用量；

K——折減系數(shù)，粉煤灰取0.25。

結(jié)合工程的實際配合比（表1），模擬水化升溫曲線。

表1 混凝土施工配合比

2.2.2 初始條件及邊界條件

初始條件為混凝土內(nèi)部溫度的初始瞬時分布規(guī)律，邊界條件則為混凝土表面與周圍介質(zhì)之間的溫度相互作用規(guī)律?；炷恋某跏紲囟燃礊榛炷恋臐仓囟?6℃。澆筑時表面與空氣直接接觸，存在熱對流，對流系數(shù)通過定義數(shù)組的方式，與空氣直接接觸的表面對流系數(shù)取1807 488J/(m2d℃），與空氣間接接觸的對流系數(shù)取值為401 664J/（m2d℃），根據(jù)現(xiàn)場實測值將變化的溫度荷載施加于混凝土表面。

2.2.3 有限元結(jié)果分析

利用ANSYS 有限元軟件，分別模擬了推移式連續(xù)澆筑與整體一次澆筑的施工方式，得到不同的溫度場對比結(jié)果，溫度場云圖如圖2 所示。兩種不同澆筑形式下的溫度場分布均為中心溫度高，外側(cè)溫度低，內(nèi)外側(cè)形成溫度差。

圖2 不同澆筑形式下的溫度場云圖

圖3 顯示了不同澆筑方式下，澆筑結(jié)束至前7d 中心節(jié)點的內(nèi)部溫升曲線。兩條曲線的溫升規(guī)律基本相近，早期溫度上升，達到峰值點后溫度逐漸下降。從數(shù)值上分析，采用整體澆筑方式，內(nèi)部升溫速率快，峰值溫度達到近75℃。而相比之下，采用推移式分層澆筑得到的峰值溫度較低，約63℃，分層澆筑使內(nèi)部峰值溫度下降近10℃左右。

圖3 內(nèi)部溫升曲線

選取距離上表面約100mm 深度位置處的節(jié)點溫度代表混凝土表面溫度，其溫度時程曲線如圖4 所示。由于外界環(huán)境溫度不斷變化，曲線略有波動，但總體趨勢與內(nèi)部溫升曲線相近，澆筑2～3d 左右達到峰值溫度。相較于整體澆筑方式，分層澆筑達到的峰值溫度較低，降低近10℃左右，表面溫度與環(huán)境溫度保持在較低的溫差范圍內(nèi)。

圖4 表面溫升曲線

混凝土自澆筑開始，水泥水化作用不斷放熱，由于澆筑表面與空氣直接接觸，通過對流作用，溫度下降較快，但內(nèi)部熱量無法及時散出，從而形成較大的里表溫差。一般規(guī)定，混凝土中心溫度和表面溫度之差不應(yīng)大于25℃，溫差過大容易形成有害裂縫。大體積混凝土較大的里表溫差是形成溫度應(yīng)力的重要原因，因此，推移式連續(xù)澆筑所能到達的最大里表溫差能夠滿足規(guī)范要求是作為采用該澆筑方式的主要理論依據(jù)。如圖5 所示，曲線上的溫差值是從澆筑結(jié)束后開始計算的，推移式分層澆筑下層水化放熱時間早于上層，因此在開始階段其里表溫差略大于整體澆筑的溫差，隨著整體水化放熱的進行，其里表溫差的增長趨勢逐漸小于整體澆筑，最終達到的最大溫差值小于整體澆筑的溫差。若直接進行整體澆筑，內(nèi)外溫差的最大值超過25℃，無法滿足規(guī)范要求。利用分層澆筑的方式，能相對分散內(nèi)部水化熱量，使里表溫差值下降。根據(jù)推移式分層澆筑的溫差模擬曲線，可以直觀看到，里表溫差最大接近22℃，滿足規(guī)范對溫度的要求，證明其作為大體積筏板基礎(chǔ)的澆筑方式具有合理性。

圖5 大體積筏板基礎(chǔ)里表溫差

3 施工方案編制

根據(jù)模擬結(jié)果，制定具體的推移式連續(xù)澆筑的施工方案。結(jié)合工程實際，采用“分段定點、薄層澆筑、一個坡度、循環(huán)推進、一次到頂”的施工方式[12～13]?！胺侄味c”是指按混凝土澆筑自然流淌長度進行分段定點（商品混凝土自然流淌長度約18m）；“薄層澆筑”是指混凝土一次澆筑到頂形成坡面后，其以后各層厚度不得超過500mm，且每次下料都必須蓋住坡腳，確保不形成冷縫；“一個坡度”是指按首次成型坡面基本保持原樣向前澆筑，以控制下料路線和防止產(chǎn)生冷縫；“循環(huán)推進”是指按澆筑流向依次向前澆筑；“一次到頂”是指混凝土每次下料必須達到頂板標高，然后依次向前推進。

1）地下室筏板混凝土澆筑路線如圖6 中箭頭方向，澆筑順序按19 區(qū)→20 區(qū)→21 區(qū)→17 區(qū)→15 區(qū)→14 區(qū)→10 區(qū)→9 區(qū)→5 區(qū)→4 區(qū)施工。

圖6 筏板施工段劃分圖

2）澆筑前須認真核對混凝土澆筑申請單、混凝土配合比單，確保所澆筑的混凝土不超過初凝時間，檢測混凝土出倉溫度，并做好坍落度的現(xiàn)場測試工作，澆筑過程中嚴禁向混凝土中加水。如因停滯時間過長導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)初凝、離析等現(xiàn)象，應(yīng)堅決退回。

3）采用ZN50 插入式振搗器進行底板混凝土振搗時，振搗器要快插慢拔，插點均勻設(shè)置，逐點移動，順序進行，振實均勻，不得遺漏。移動間距不大于振搗作用有效半徑的1.5 倍（約為450mm），控制振搗時間（約為20～30s），實際以混凝土泛漿和冒泡為準，避免漏振、欠振和超振。在下一層混凝土初凝前進行上一層混凝土的振搗，為防層間接縫，必須插入下層50mm。振搗器距離模板不大于450mm，并不緊靠模板振動。用平板振搗器振搗底板混凝土?xí)r，每一位置上連續(xù)振動一定時間，直至表面均勻出漿，移動時必須逐行拖進，成排一次進行，前后位置和排與排之間有1/3 平板寬度的搭接，以防漏振。澆筑板混凝土的虛鋪厚度，略大于板厚約10mm，用平板振搗器順澆筑方向拖拉振搗，不允許用振搗棒鋪攤混凝土。

4）根據(jù)實際情況，考慮后期具體的養(yǎng)護方式及溫控措施。基礎(chǔ)底板采用覆蓋薄膜加土工布方法進行養(yǎng)護?；炷羶?nèi)部峰值溫度出現(xiàn)在澆筑后2d 后，如在養(yǎng)護期內(nèi)出現(xiàn)溫差接近和超過25℃，則要立即采取加厚覆蓋保溫措施。為保證混凝土初期強度要求，養(yǎng)護時間不得小于14d（里表溫差小于25℃后，灑水養(yǎng)護）。

4 結(jié)論

1）大體積混凝土水泥水化放熱產(chǎn)生的熱量顯著，熱量集中于內(nèi)部，必然產(chǎn)生較大的內(nèi)外溫差，溫差超過允許范圍后表面形成溫度裂縫。因此，大體積混凝土不能采用一次整體澆筑的方式，在澆筑前必須考慮合理的施工方案，并采取措施嚴格控制后期溫度的變化。

2）推移式連續(xù)澆筑相較于整體一次澆筑能夠有效地降低混凝土內(nèi)部溫度峰值，減小里表溫差，使溫度控制滿足規(guī)范要求。

3）ANSYS 軟件可以方便地模擬混凝土澆筑的全過程，通過建立實際模型，得到直觀的溫度場結(jié)果以及各節(jié)點隨齡期的溫度變化規(guī)律，對解決工程實際問題具有重要的參考意義。