何熊偉

(中鐵二局集團(tuán)有限公司 四川成都 610031)

0 引言

大體積混凝土澆筑后，水泥水化放出大量的熱量會(huì)使混凝土內(nèi)部的溫度升高?；炷帘砻嫔彷^快，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)較厚，且自身導(dǎo)熱性能差，水泥水化的熱量聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失，使混凝土內(nèi)外溫差大，在大體積內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力足夠大時(shí)，澆筑的大體積混凝土?xí)a(chǎn)生貫穿整個(gè)界面的溫度裂縫，給結(jié)構(gòu)帶來(lái)重大的損傷，嚴(yán)重地影響工程結(jié)構(gòu)安全，現(xiàn)已引起廣大工程師、學(xué)者關(guān)注。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了大量的配合比優(yōu)化、溫度應(yīng)力、溫度控制和裂縫控制等研究[1-5]。楊磊[6]分析了冷卻水管不同間距對(duì)冷卻速度的影響。王新剛等[7]利用有限元軟件MIDAS/CIVIL，對(duì)埋設(shè)冷卻水管的大體積混凝土的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，分析水管布置形式，水管直徑、管距、長(zhǎng)度，冷卻水流量等因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響，并綜合考慮冷卻效率和施工成本，提出較為合理的冷卻水管布置方案。魏德敏等[8]針對(duì)大體積混凝土基礎(chǔ)，進(jìn)行混凝土澆筑后的溫度場(chǎng)有限元分析，研究分析了冷卻水管水平間距、豎向間距、入模溫度與冷卻水入管溫度之差、水管長(zhǎng)度、冷卻水流量、混凝土基礎(chǔ)厚度等參數(shù)對(duì)混凝土最高溫度的影響。然而，迄今為止，多數(shù)研究尚未考慮混凝土邊界散熱、冷卻水水溫對(duì)內(nèi)部溫度場(chǎng)及管冷布設(shè)的影響。

基于此，本研究以某超高層建筑筏板基礎(chǔ)大體積混凝土為背景，采用MIDAS/GEN有限元分析軟件對(duì)邊界散熱及管冷優(yōu)化進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以最優(yōu)的管冷布置方式、合理的保溫措施及結(jié)合分階段變溫通水應(yīng)用到實(shí)際施工中，達(dá)到了大體積混凝土結(jié)構(gòu)降溫防裂的目的。同時(shí)，通過(guò)施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。

1 工程概況

該建筑為超高層辦公樓，建筑高度343.255m，采用柱下條基、筏板及抗水板的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。筏板基礎(chǔ)區(qū)域28.6m×28.3m，厚度為4.0m，局部電梯井區(qū)域厚度達(dá)5.5m、6.0m，如圖1所示。混凝土采用C40混凝土，整個(gè)基礎(chǔ)澆筑方量8350m3，其中核心筒筏板混凝土澆筑方量3450m3，屬于典型的大體積混凝土范疇，是本次研究的對(duì)象。

圖1 基礎(chǔ)平面布置示意

2 有限元模型建立

2.1 材料及相關(guān)參數(shù)

大體積混凝土宜首選大壩專(zhuān)用水泥，其次選擇礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥。該工程所涉及的C40大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)如下：

(1)采用雙摻方式，膠凝材料中加入大量的粉煤灰和礦粉；

(2)以強(qiáng)度為主要指標(biāo)，坍落度和擴(kuò)展度作為參考，通過(guò)正交試驗(yàn)分析不同因素的影響規(guī)律；

(3)以正交試驗(yàn)得出的規(guī)律為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)若干組滿(mǎn)足強(qiáng)度的混凝土配合比。

通過(guò)對(duì)其工作性能、力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，得出最佳的配合比如表1所示。

表1 基礎(chǔ)混凝土配合比

根據(jù)相關(guān)資料[1-6]，有限元模型所選參數(shù)如表2所示。

表2 有限元模型各參數(shù)列表

注：根據(jù)文獻(xiàn)[1]表面覆蓋對(duì)流系數(shù)為5cm麻袋參數(shù)。

2.2 基本假定及邊界條件

(1)基本假定

數(shù)值模擬的3種假定如下：

①視模型環(huán)境溫度為定值，取值20℃；

②混凝土為均質(zhì)體，且一次性澆筑完成；

③不計(jì)內(nèi)部鋼筋、管冷對(duì)混凝土量的影響。

(2)邊界條件

數(shù)值模擬筏板基礎(chǔ)溫度場(chǎng)的4種邊界條件如下：

①筏板基礎(chǔ)的地基為固定約束邊界；

②模型為筏板基礎(chǔ)的一半，故對(duì)稱(chēng)面邊界為對(duì)稱(chēng)約束邊界；

③筏板基礎(chǔ)與地基接觸面為熱傳導(dǎo)邊界；

④大氣與筏板基礎(chǔ)的接觸面為對(duì)流邊界。

2.3 模型的建立及特征點(diǎn)選取

2.3.1模型的建立

以MIDAS/GEN中取筏板基礎(chǔ)實(shí)際尺寸的1/2建模計(jì)算。模型上部結(jié)構(gòu)為筏板混凝土結(jié)構(gòu)，下部為地基。筏板基礎(chǔ)尺寸為28.0m×14.0m×4.0m，局部有電梯井，地基尺寸為40.0m×20.0m×8.0m，如圖2所示。

圖2 筏板基礎(chǔ)1/2模型

2.3.2特征點(diǎn)選取

所選取筏板特征點(diǎn)位置分布如圖3所示。

圖3 筏板特征點(diǎn)位置分布

3 邊界影響及表面覆蓋延申分析

數(shù)值模擬在筏板澆筑完成后，混凝土表面覆蓋5cm麻袋最高溫度出現(xiàn)在130h附近，圖4為130h溫度場(chǎng)，筏板中心點(diǎn)的最高溫度為80.58℃。

圖4 表面覆蓋麻袋時(shí)130h溫度云圖

3.1 邊界影響范圍分析

選擇混凝土各表面幾何中心點(diǎn)作為特征基準(zhǔn)點(diǎn)，混凝土內(nèi)部與表面中心不同距離的特征點(diǎn)，在不同時(shí)刻的溫度曲線(xiàn)圖，如圖5～圖7所示。

圖5 上表面溫度曲線(xiàn)

圖6 側(cè)面溫度曲線(xiàn)

圖7 底面溫度曲線(xiàn)

由圖5～圖7可知，基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部特征點(diǎn)的溫度隨著與表面基準(zhǔn)點(diǎn)距離的增大而升高，溫度梯度逐漸減少，最終趨于收斂。

取各圖收斂溫度數(shù)值95%對(duì)應(yīng)的距離作為基礎(chǔ)混凝土與地基或覆蓋麻袋接觸邊界散熱的有效影響范圍，基礎(chǔ)混凝土與地基接觸邊界在不同時(shí)間點(diǎn)的有效范圍如表3～表5所示。

表3 上表面有效影響范圍

表4 側(cè)面有效影響范圍

表5 底面有效影響范圍

由表3～表5可知，筏板基礎(chǔ)各表面在筏板混凝土溫度達(dá)到峰值時(shí)(130h)的影響范圍分別為0.93m、1.06m及1.04m，在進(jìn)行管冷布設(shè)時(shí)，可取各邊界的影響范圍為1.0m。

3.2 表面覆蓋延申范圍分析

由于筏板基礎(chǔ)上表面的棱邊點(diǎn)處屬于溫度最低部位，故在上表面加設(shè)保溫措施(麻袋覆蓋)時(shí)，于基礎(chǔ)表面棱邊位置處將保溫覆蓋向外延伸，確保棱邊位置處溫度不宜過(guò)低。

上表面棱邊特征點(diǎn)在不同覆蓋延伸長(zhǎng)度的溫度時(shí)程曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 覆蓋延伸棱邊特征點(diǎn)溫度時(shí)程曲線(xiàn)

上表面棱邊特征點(diǎn)在不同覆蓋延伸長(zhǎng)度情況下與筏板中心點(diǎn)的溫差時(shí)程圖如圖9所示。

圖9 覆蓋延伸棱邊特征點(diǎn)與筏板中心點(diǎn)溫差時(shí)程曲線(xiàn)

由以上特征點(diǎn)時(shí)程曲線(xiàn)圖可以得出：

①表面棱邊點(diǎn)在向外覆蓋延伸后較未向外覆蓋延伸溫度明顯提高，棱邊處最高溫度提高10℃左右，確定向外覆蓋后對(duì)棱邊處有很好的保溫作用效果。故，筏板基礎(chǔ)在加設(shè)保溫措施時(shí)有必要向棱邊外延伸保溫措施。

②在保溫延伸距離1.0m到1.5m時(shí)，棱邊處的溫度已趨于收斂。從經(jīng)濟(jì)與效益的層面考慮，向外延伸的保溫措施距離宜為0.5m～1.0m。

③采取覆蓋措施后的筏板基礎(chǔ)里表溫差最大值超過(guò)了《大體積混凝土施工規(guī)范及條文說(shuō)明》中規(guī)定的混凝土澆筑塊體里表溫差不宜大于25℃，故還需要在筏板混凝土中采取內(nèi)部管冷降溫措施。

4 管冷影響分析及布設(shè)

4.1 管冷影響范圍分析

在表面保溫覆蓋狀態(tài)下，主要對(duì)管冷徑向影響范圍在筏板中部位置布置一根管冷貫通整個(gè)筏板混凝土結(jié)構(gòu)。管冷采用外徑φ32mm，壁厚2.0mm焊管，入水溫度為20℃，流量取值1.2m3/h[8]。

根據(jù)MIDAS/GEN計(jì)算分析后，取管冷中部處橫向相應(yīng)特征點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，與管冷中心不同距離特征點(diǎn)的溫度時(shí)程曲線(xiàn)，如圖10所示。

圖10 管冷對(duì)混凝土的溫度時(shí)程曲線(xiàn)

取管冷收斂溫度值95%對(duì)應(yīng)的距離作為有效影響范圍。不同時(shí)間點(diǎn)的有效影響范圍如表6所示。

表6 上表面有效影響范圍

由表6可知，在筏板混凝土溫度達(dá)到峰值時(shí)(130h)管冷的影響范圍為1.15m。

4.2 管冷優(yōu)化及變溫通水設(shè)置

根據(jù)邊界影響范圍及管冷影響分析，對(duì)核心筒筏板基礎(chǔ)管冷采用如下布置：冷卻管豎向間距為1.0m，水平間距為1.5m，如圖11所示?；A(chǔ)上表面為覆蓋5cm的麻袋，并超出筏板基礎(chǔ)邊界1.0m。

圖11 筏板管冷布置剖面示意

同時(shí)，為避免冷卻水與混凝土內(nèi)部溫差過(guò)大出現(xiàn)溫度裂縫，根據(jù)模擬結(jié)果冷卻水宜與混凝土內(nèi)部溫度差保持在20℃～25℃內(nèi)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，將筏板基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部降溫分為以下階段：0～10h冷卻水溫度宜為20℃左右，10h～30h冷卻水溫度宜為35℃，30h～45h冷卻水溫度宜為45℃，45h～170h冷卻水溫度宜為50℃，170h～240h冷卻水溫度宜為45℃，240h～350h冷卻水溫度宜為35℃。模擬結(jié)果顯示，筏板基礎(chǔ)混凝土澆筑完成后，內(nèi)部最高溫度為68.71℃，出現(xiàn)在澆筑完成后的100h，并且過(guò)溫度峰值后的降溫速率為1.23℃/d。

5 現(xiàn)場(chǎng)施工及監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行基礎(chǔ)大體積混凝土施工時(shí)的環(huán)境溫度為22～28℃，歷時(shí)約57h，共澆筑8350m3混凝土。混凝土的相關(guān)性能指標(biāo)如表7所示。

表7 混凝土施工各性能指標(biāo)

根據(jù)有限元模擬結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土內(nèi)布置管冷后設(shè)置17個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，筏板基礎(chǔ)11個(gè)，條形基礎(chǔ)6個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)位布置示意，筏板基礎(chǔ)測(cè)溫點(diǎn)布設(shè)如圖12所示。

圖12 筏板基礎(chǔ)測(cè)溫點(diǎn)布設(shè)示意

采用自行研發(fā)的DS18B20溫度傳感器及無(wú)線(xiàn)測(cè)溫采集監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集器每隔2.5min采集一次溫度數(shù)據(jù)，可反應(yīng)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)曲線(xiàn)。指定專(zhuān)人負(fù)責(zé)掌握基礎(chǔ)內(nèi)部實(shí)際溫度變化情況，對(duì)布設(shè)點(diǎn)時(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)視溫度及溫差變化情況，以調(diào)整管冷入水溫度及養(yǎng)護(hù)工作。筏板基礎(chǔ)幾何中心點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，限于文章篇幅以T1監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖13、圖14所示。監(jiān)測(cè)大氣溫度的測(cè)位探頭距混凝土面300mm，監(jiān)測(cè)混凝土表面溫度的測(cè)位探頭置于麻袋覆蓋面下，監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部最上端和最下端的測(cè)位探頭距混凝土面距離100mm，混凝土內(nèi)部其余測(cè)位探頭則均勻分布。

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)T1溫度時(shí)程曲線(xiàn)

圖14 監(jiān)測(cè)點(diǎn)T1里表溫差及與大氣溫差時(shí)程圖

由圖13～圖14可以看出，核心筒筏板基礎(chǔ)內(nèi)部的最高溫度出現(xiàn)在澆筑后的120h左右，最高溫度數(shù)值為66.6℃。最大里表溫差數(shù)值均在規(guī)范要求25℃的控制范圍內(nèi)，且表面與大氣溫差亦在規(guī)范要求20℃的控制范圍內(nèi)。過(guò)溫度峰值后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的降溫幅度為1.37℃/d，滿(mǎn)足規(guī)范要求降溫幅度不宜超過(guò)2℃/d。上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)值接近，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該工程筏板基礎(chǔ)邊界影響及管冷影響的有限元模擬分析，最終確定筏板基礎(chǔ)的管冷布置方案及變溫通水設(shè)置，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，達(dá)到了筏板基礎(chǔ)溫差及降溫幅度控制要求。根據(jù)分析結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)大體積混凝土的邊界影響范圍在內(nèi)部溫度達(dá)到峰值時(shí)，邊界的影響范圍在1.0m左右，側(cè)面及底面可不做保溫措施。

(2)大體積混凝土采取覆蓋保溫時(shí)，宜向外延伸0.5m～1.0m，以保證邊界溫度與內(nèi)部溫度的差值過(guò)大。

(3)采用外徑φ32mm，壁厚2.0mm管冷，流量1.2m3/h，最大影響半徑為1.0m左右。

(4)采用的冷卻水與混凝土內(nèi)部最高溫差數(shù)值宜控制在20℃～25℃。