張 彪，張同波，于德湖，李翠翠，葉 林

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.青建集團股份公司，山東 青島 266071；3.山東建筑大學(xué)，山東 濟南 250101)

0 引言

隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，高層和超高層建筑不斷出現(xiàn)，整體剛度較大的筏形基礎(chǔ)在地基條件較好的地區(qū)得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]，超長混凝土底板的無縫施工技術(shù)得到迅速發(fā)展，而無縫施工技術(shù)的關(guān)鍵在于解決溫差與應(yīng)力問題。

不同厚度的底板，隨時間表現(xiàn)出不同的溫度及應(yīng)力變化規(guī)律。葉林等[2]分析對比了0.25，0.5，1.5m厚底板在水化熱升、降溫階段的溫度變化規(guī)律；張慶浩等[3]分析對比了0.5m厚底板的水化熱溫差、當(dāng)量溫差和環(huán)境溫差的變化規(guī)律；陳文博[4]采用MIDAS gen軟件計算分析了大體積混凝土底板在水化熱作用下28d齡期的溫度及應(yīng)力分布規(guī)律；王彥會等[5]提出了大體積混凝土底板內(nèi)部的收縮應(yīng)力高于上部和下部；仉震等[6]提出了基于氣象溫度數(shù)據(jù)與不同工況的底板溫度數(shù)值模擬分析方法；韓重慶等[7]定量分析了混凝土結(jié)構(gòu)的季節(jié)溫差應(yīng)力；張慶浩[8]提出了基于結(jié)構(gòu)測溫數(shù)據(jù)計算底板溫度應(yīng)力的方法，并給出了參數(shù)取值。

本文將厚度1m以下的混凝土底板定義為普通厚度底板，將厚度1m及以上的混凝土底板定義為大體積混凝土底板。已有研究對普通厚度底板與大體積混凝土底板的對比分析較少，對二者溫度及溫度應(yīng)力變化規(guī)律差異性的總結(jié)不全面。本文在大量不同厚度底板測溫試驗的基礎(chǔ)上，選取0.35，0.7，1.5m 3種厚度底板的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，對普通厚度底板與大體積混凝土底板在不同時段的溫度及溫度應(yīng)力變化進(jìn)行研究，對比二者在水化熱階段和環(huán)境溫度階段的溫度變化規(guī)律、在不同階段的溫差構(gòu)成，分析溫度應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律；得到兩種底板在溫度和溫度應(yīng)力的變化規(guī)律、溫差構(gòu)成方面具有明顯的差異，為更準(zhǔn)確地計算不同厚度底板的溫度應(yīng)力提供了依據(jù)。

1 工程概況

項目1為青島國際院士港二期工程，總建筑面積為986 287.28m2，地下室4層，進(jìn)行0.7，1.5m厚底板測溫試驗；項目2為青島紅島匯科技金融中心工程，總建筑面積101 000m2，地下室為1層，進(jìn)行0.35m厚底板測溫試驗。3個試驗均采用IC-GHT-03溫濕度監(jiān)測終端和IC-TH-1溫濕度傳感器，以30min為間隔無線采集混凝土的溫度數(shù)據(jù)；試驗底板的尺寸及混凝土配合比如表1，2所示。

表1 底板尺寸Table 1 The size of bottom plate

1.5m厚底板測溫試驗的時間為2019年5月22日—2019年9月27日，共布置11個測點，1～10號測點為底板結(jié)構(gòu)內(nèi)測點，如圖1所示，11號測點為中部試驗位置處的環(huán)境溫度測點。

圖1 1.5m厚底板測點布置(單位：m)Fig.1 1.5m thick bottom plate measuring point arrangement(unit:m)

0.7m厚底板測溫試驗的時間為2019年5月29日—2019年9月26日，共布置4個測點，1～3號測點為底板結(jié)構(gòu)內(nèi)測點，如圖2所示，4號測點為試驗位置處的環(huán)境溫度測點。

圖2 0.7m厚底板測點布置(單位：m)Fig.2 0.7m thick bottom plate measuring point arrangement(unit:m)

0.35m厚底板測溫試驗的時間為2020年1月14日—2020年10月26日，共布置8個測點，1～7號測點為底板結(jié)構(gòu)內(nèi)測點，如圖3所示，8號測點為中部試驗位置處的環(huán)境溫度測點。

圖3 0.35m厚底板測點布置(單位：m)Fig.3 0.35m thick bottom plate measuring point arrangement(unit:m)

2 溫度變化對比

為了對比大體積混凝土底板與普通厚度底板在不同時段溫度變化的差異，從以下3方面對3個試驗底板中部位置處測點的溫度變化進(jìn)行以比分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 底板溫度變化曲線Fig.4 Bottom plate temperature change curve

2.1 水化熱階段溫度變化對比

水化熱階段是指底板溫度變化受水化熱主導(dǎo)的階段，即從終凝開始至底板到達(dá)某一溫度時結(jié)束，結(jié)束點稱為至環(huán)境溫度時；至環(huán)境溫度后的時間階段為環(huán)境溫度階段，此時底板溫度變化受環(huán)境溫度主導(dǎo)。3個試驗底板在水化熱階段的溫度變化如表3所示，由圖5和表3可得出如下結(jié)論。

表3 底板水化熱階段溫差對比Table 3 Temperature difference comparison of bottom plate hydration heat stage

1)大體積混凝土底板中間測點的升、降溫時間均遠(yuǎn)大于普通厚度底板，從終凝至環(huán)境溫度三者隨厚度減小分別需要40.2，12.0，5.6d，說明大體積混凝土底板前期水化熱階段較長，有利于減小溫度應(yīng)力。1.5m厚底板的最高溫和降溫差遠(yuǎn)大于0.35m厚底板，卻與0.7m厚底板十分接近；前者一方面是因為紅島匯處于冬季，對其最高溫有一定影響，另一方面是因為兩底板厚度相差過大；后者一方面是因為0.7m厚底板混凝土配合比(見表2)中水泥和礦粉用量之和較1.5m厚底板高23kg，另一方面是因為0.7m厚底板距離大體積混凝土柱基較近，使其溫度升高。底板的水化熱溫差隨厚度的減小而減小，大體積混凝土底板的水化熱溫差較普通厚度底板分別高4.60℃(0.7m厚)和9.05℃(0.35m厚)。

生態(tài)文明融入到高校校園文化建設(shè)，是高校激發(fā)師生積極性和創(chuàng)造性的內(nèi)在動力。從生態(tài)文明的全新視角和嶄新高度孕育具有生態(tài)特征的高校校園文化，對教學(xué)、科研、管理等運作機制充分融入生態(tài)文明新元素，構(gòu)建出人與人在有序規(guī)則中和諧相處的生動局面，使師生在綠色校園文化中創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、成長成才。

表2 底板混凝土配合比Table 2 Bottom plate concrete mix ratio kg/m3

2)3個試驗底板上表面測點終凝至環(huán)境溫度的時間相差不大，隨厚度減小分別需要12.5，9.0，4.5d，而0.7m厚度底板的降溫差和水化熱溫差最大，說明底板上表面水化熱階段的時間和溫差主要受環(huán)境溫度變化和混凝土配合比的影響。

3)3個試驗底板下表面測點終凝至環(huán)境溫度的時間相差最大(1.5m厚底板分別與0.7，0.35m厚底板相差44，35d)，0.35m厚底板比中間少0.9d，0.7，1.5m厚底板分別比中間多11.5，27.5d；由于上述混凝土配合比的原因，0.7m厚底板的最高溫和降溫差均高于1.5m厚底板，由于下表面的散熱條件相同，所以二者的水化熱溫差接近；0.35m厚底板因受澆筑季節(jié)和環(huán)境溫差的影響，最高溫和降溫差均較小。

2.2 降溫速率對比

3個試驗底板的降溫速率從上表面到下表面均逐漸減小，由于上表面受環(huán)境溫度影響較大，因此僅對比中間測點的降溫速率(見表4)和不同比例水化熱溫差時長(見表5)。

表4 底板降溫速率對比Table 4 Comparison of bottom plate cooling rate

表5 底板不同比例水化熱溫差時長Table 5 Different proportion of bottom plate hydration heat temperature difference time

1)3個試驗底板均有明顯的不同降溫速率階段，前期降溫快、后期降溫慢；普通厚度底板各階段持續(xù)時間較短，后期略長，0.35m厚底板為2～3d，0.7m厚底板為2～6d，大體積混凝土底板各階段時間較長且較接近，為7～9d；大體積混凝土底板不同階段降溫速率之間相差較小，普通厚度底板則相差較大；0.7m厚底板前3個階段的降溫速率約是1.5m厚底板的2～3倍；相較于1.5m厚底板，0.35m厚底板第1階段的降溫速率略大，第2階段則略小。

2)普通厚度底板降溫快，分別在前12d(0.7m厚)和前6d(0.35m厚)完成水化熱階段；大體積混凝土底板前14d完成50%的水化熱溫差，在19～28d完成70%～90%的水化熱溫差。

3)以上分析說明，普通厚度底板在前期有較大的降溫速率和日溫差增量，可能會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，因此應(yīng)進(jìn)行前期的溫度應(yīng)力分析，同時加強保溫、保濕養(yǎng)護。

2.3 環(huán)境溫度變化影響對比

1.5m厚底板中間位置不受環(huán)境溫度變化的影響，下面僅對比3個試驗底板上表面和中間位置受環(huán)境溫度影響的溫差變化，其短期環(huán)境與結(jié)構(gòu)溫度波動曲線如圖5所示，環(huán)境溫差與晝夜溫差對3個底板的影響對比如表6和表7所示。環(huán)境溫差和晝夜溫差由環(huán)境溫度測點記錄數(shù)據(jù)計算所得，兩者計算所取時間間隔分別為24h(或48h)和12h。

表6 底板環(huán)境溫差影響對比Table 6 Comparison of environment temperature difference influence of bottom plate

圖5 底板短期環(huán)境與結(jié)構(gòu)溫度波動曲線Fig.5 Short-term environment of bottom plate and temperature fluctuation curve of structure

表7 底板晝夜溫差影響對比Table 7 Comparison of influence of diurnal temperature difference of bottom plate

2)晝夜溫差對3個試驗底板的上表面測點均有明顯影響；對0.35，0.7m厚底板中間測點的影響較小，對1.5m厚底板中間7號測點略有影響，對1.5m厚底板中間8號測點及以下位置無影響。

3)綜上分析可知，0.7m或為底板受環(huán)境溫度影響的極限厚度，該結(jié)論有待于做進(jìn)一步的研究；0.7m及以下厚度的底板應(yīng)根據(jù)工況變化和氣候條件考慮環(huán)境溫度對其溫差的影響；1.5m及以上厚度的大體積混凝土底板可不考慮環(huán)境溫度對其溫差的影響。

3 溫差構(gòu)成對比

3個試驗底板中間(平面方向中間，厚度方向中間)測點在不同階段的水化熱溫差、當(dāng)量溫差、環(huán)境溫差的構(gòu)成情況如表8所示，底板各階段總溫差對比如表9所示。其中，水化熱溫差為測點至環(huán)境溫度時或水化熱階段某一時間點的溫度與終凝溫度之差；當(dāng)量溫差是指除了溫度變化引起的收縮外，將混凝土的干燥收縮[9]轉(zhuǎn)化為降溫引起相同收縮時所需的溫差；環(huán)境溫差是指測點環(huán)境溫度階段某一時間點溫度與至環(huán)境溫度時溫度的差值(計算時以至環(huán)境溫度時為起點，每24h為1個時間點；如至環(huán)境溫度時為第5.78天，則底板第60天的環(huán)境溫差為測點第59.78天與第5.78天溫度之差)，水化熱階段取0；總溫差是指3種溫差之和，但不是3種溫差直接相加(如底板第60天的總溫差由測點第60天的溫度與終凝溫度之差和第60天的當(dāng)量溫差相加算得)。前期是指終凝后前14天，中期是指終凝后的15～45天，后期是指終凝后大于45天的時間段。

表8 底板3種溫差構(gòu)成對比Table 8 Comparison of three temperature difference composition of bottom plate

表9 底板各階段總溫差對比Table 9 Comparison of total temperature difference in each stage of bottom plate

1)普通厚度底板由3種溫差構(gòu)成，大體積混凝土底板僅由水化熱溫差和當(dāng)量溫差構(gòu)成；大體積混凝土底板降溫緩慢，前期水化熱溫差的絕對值小于普通厚度底板，后期則比其大；普通厚度底板前期當(dāng)量溫差占比小，中后期占比大，且底板越薄占比越大；底板越薄，環(huán)境溫差占比及波動越大。

2)3個底板總溫差最大值均為試驗的最后一天；前期，普通厚度底板的總溫差占比較大；中期，2種厚度底板的總溫差占比接近。大體積混凝土底板澆筑后的總溫差占比穩(wěn)定增加，至45天后趨于穩(wěn)定、增量較??；而普通厚度底板的總溫差占比則隨環(huán)境溫度變化和工況改變有所波動，且底板越薄波動越大。

3)綜上分析可知，普通厚度底板受環(huán)境溫差影響大，其溫差的最大值可能出現(xiàn)在中后期的某一時間點，大體積混凝土底板的溫差平穩(wěn)增加并在中后期趨于穩(wěn)定。因此，普通厚度底板應(yīng)結(jié)合氣候條件和工況變化，考慮環(huán)境溫度的影響進(jìn)行相應(yīng)的溫度應(yīng)力分析。

4 溫度應(yīng)力對比

基于測溫數(shù)據(jù)和當(dāng)量溫差采用式(1)計算試驗底板的溫度應(yīng)力。對比分析3個試驗底板中間(平面方向中間，厚度方向中間)測點的溫度及溫度應(yīng)力，如圖6，表10所示；并將其短期環(huán)境溫度變化所引起的應(yīng)力增量進(jìn)行對比，如表11所示。

圖6 底板溫度應(yīng)力曲線Fig.6 Bottom plate temperature stress curve

表10 底板主要時間節(jié)點溫度應(yīng)力Table 10 Temperature stresses at magor time points in the supstrate MPa

表11 底板短期環(huán)境溫度變化應(yīng)力增量Table 11 Short-term environmental temperature variation stress increment of bottom plate

ΔTiEi(t)Hi(t,τi)

(1)

1)3個試驗底板的溫度應(yīng)力整體上均隨時間逐漸增大。大體積混凝土底板溫度應(yīng)力增長較平緩，呈平滑曲線；普通厚度底板受環(huán)境溫度影響，在中期應(yīng)力波動較大，之后隨工序的進(jìn)展而趨于穩(wěn)定；0.35m厚底板在中后期先后經(jīng)歷春、夏、秋3個季節(jié)，溫度應(yīng)力在波動中先減小后增大；0.7m厚底板在中后期進(jìn)入夏秋季，溫度應(yīng)力在波動中逐漸增大。以上說明，環(huán)境溫度會引起普通厚度底板應(yīng)力較大的波動。

2)大體積混凝土底板水化熱階段長、降溫緩慢，不受環(huán)境溫度影響，溫度應(yīng)力前后差異不大，且都遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強度；普通厚度底板前期降溫速率較快，導(dǎo)致溫度應(yīng)力過大，接近混凝土的抗拉強度，溫度應(yīng)力前后差異較大，且中后期受環(huán)境溫度影響有較大應(yīng)力出現(xiàn)。

3)相近小環(huán)境溫差下，0.35，0.7m厚底板應(yīng)力增量明顯大于1.5m厚底板，說明底板越薄受小環(huán)境溫度變化影響越明顯，降溫會引起較大的應(yīng)力增量。

4)普通厚度底板受環(huán)境溫度影響，最大應(yīng)力可能出現(xiàn)在中后期的某個時間點，同時其前期溫度應(yīng)力較大，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力分析；0.7m及以下厚度的底板在進(jìn)行溫度應(yīng)力計算時需考慮環(huán)境溫度的影響，1.5m及以上厚度的大體積混凝土底板進(jìn)行溫度應(yīng)力計算時，則無需考慮環(huán)境溫度的影響。

5 結(jié)語

通過對大體積混凝土底板和普通厚度底板的對比分析可以看出，二者在溫度、溫度應(yīng)力的變化規(guī)律，及溫差構(gòu)成方面具有明顯的差異。

1)大體積混凝土底板水化熱階段溫差大，但降溫時間長、降溫速率小，溫度應(yīng)力也較小；普通厚度底板水化熱階段溫差較小，但降溫時間短、降溫速率大，其溫度應(yīng)力也較大。因此，對普通厚度底板更應(yīng)重視前期的保溫、保濕養(yǎng)護，以減小水化熱階段的溫差，并應(yīng)進(jìn)行水化熱階段的溫度應(yīng)力計算。

2)大體積混凝土底板不受環(huán)境溫度變化的影響，其結(jié)構(gòu)溫差僅由水化熱溫差、當(dāng)量溫差構(gòu)成；普通厚度底板受環(huán)境溫度變化的影響，且厚度越小受其影響越大，其結(jié)構(gòu)溫差由水化熱溫差、當(dāng)量溫差、環(huán)境溫差構(gòu)成。

3)大體積混凝土底板溫度應(yīng)力隨時間均勻變化，無短期應(yīng)力波動，澆筑45d后溫度應(yīng)力趨于穩(wěn)定；普通厚度底板溫度應(yīng)力受環(huán)境溫度變化影響，短期應(yīng)力波動較大，應(yīng)力隨時間變化大，應(yīng)力最大值出現(xiàn)的時間點具有不確定性。因此，普通厚度底板應(yīng)結(jié)合季節(jié)、工況等條件進(jìn)行中長期的溫度應(yīng)力計算，并加快地下室的封閉及相鄰區(qū)域的施工，以控制和減小底板的溫度應(yīng)力。