論高層建筑基礎底板大體積混凝土溫度裂縫控制

摘要:高層建筑地下室基礎底板一般體積大，面積大，本文用有限元法仿真計算了基礎底板大體積混凝±施工期溫度場，并在混凝土中埋入溫度傳感器，實時監測溫度場的變化。實測數據與有限元計算結果偏差較小，說明有限元仿真計算能有效地預測施工期溫度場的變化，幫助工程師擬定溫控方案，防止溫度裂縫的產生。

關鍵詞:大體積混凝土 裂縫控制 溫度場 有限元 實時監測

0 引言

高層建筑地下室基礎底板厚度大，澆筑后由于水泥水化熱和表面散熱邊的影響，內部溫度將顯著升高，并明顯高于表面溫度。內部溫度過高及內外溫差過大將導致溫度拉應力大于混凝土的抗拉強度而開裂，這將影響結構的整體性和耐久性，并造成地下泄漏。因此，如何有效地控制底板混凝土內外溫差及最高溫度又是防止溫度裂縫出現和擴展的關鍵。

1 溫度裂縫控制方案

1.1 精心安排混凝土澆筑順序及工藝 采用多臺混凝土輸送泵同時澆筑。根據工程特點精心組織澆筑順序和工藝，要保證己澆筑的混凝土面層在規定的初凝時間內被新澆筑的混凝土覆蓋，防止出現冷縫。根據混凝土泵送時自然形成一個坡度的實際情況，在每個混凝土泵澆筑帶的前后布置兩道振動器，第一道布置在混凝土的卸料點，第二道布置在混凝土坡角處。混凝土澆筑至標高時要及時進行收口處理，用刮尺刮平表面砂漿，再用鐵滾筒碾壓數遍，并打磨壓實，以閉和收水裂防止龜裂。

1.2 進行施工期溫度場的有限元仿真分析 為了確定溫控方案，我們采用大型有限元分析軟件ANSYS5、6對施工期底板混凝土的溫度場分布進行了仿真分析，采用SO!id7O單元，根據水化熱計算公式

兩邊求導，得混凝土的生熱率為

混凝土表面保溫材料的熱阻可按下式計算:

式中 為各保溫層的厚度， 為各保溫層的導熱系數， 為空氣層的放熱系數。則混凝土表面向周圍介質放熱的總放熱系數為:

β=1/R

三維不穩定溫度場熱傳導微分方程為:

式中λx，λy，λz分別為x，y，z，方向的導熱系數

;T為任意時刻(τ)任意點(x，y，z)處的溫度(℃);c為比熱

;ρ為混凝土的質量密度(Kg/m3);θ為水化熱絕熱溫升(℃);τ為時間(h)。

在空間域用有限單元離散，將計算域R離散為有限個單元，設單元e的節點為 ，該單元節點溫度為

，單元內任一點的節點溫度表示為:

在時間域用差分法離散，取時間步長為 ，且假設混凝土為各向同性，就可以得到瞬變溫度場的有限元，差分支配方程:

式中:[H]為熱傳導矩陣，;[R]為熱容量矩陣，

;{F}為節點的外部熱向量，;

為節點在τ時刻的溫度向量。

根據已知τ時刻的 ，聯立求解關于

的線性方程組，就可得到各節點在時刻溫度場 。

利用單元死活法模擬施工澆筑順序，通過非線性瞬態求解得到各時期的溫度場分布。分析的結論為:底板厚1米至1.8米部分表面采用兩層草袋保溫即可。厚2.5米部分在一般的保溫條件下無法保證內外溫差小于25℃。故須設法降低混凝土內部溫度，從而減少內外溫差。經過論證，擬采用預埋冷水管散熱的方案。當混凝土內溫度升高時，可以通過加大進水管水壓從而加快循環水的流動速度，迅速將水化熱排出。據資料顯示，合理的埋管冷卻方案可以削減大約15%~20%的水化熱。在有限無模型中加入管流單元，該單元有兩個主節點，兩個可選導熱節點，節點自由度為溫度或壓強。經過反復調整管流單元的高度、間距、通水流量等參數，終于得到理想的結果。

2 溫度場的實時監測

2.1測溫儀器的選擇 為保證讀取測溫數據實時、準確和數據采集的自動化，采用配備DS18B20溫度傳感器的全自動巡回檢測報警儀。該儀表最多可以配接96支DS18B20溫度傳感器形成多點測量系統，基本測量精度±0.5℃，可通過數據線將采集的溫度值傳到計算機的竄行端口。

2.2 溫度測點的平面布置 平面上布置測點的原則為:突出重點，兼顧全面。即在有限元計算的基礎上，選取內部溫度最高的部分(一般為板最厚的部位)布置較為密集的測點，同時要在板的邊緣、坑、井邊等具有代表性的不同部位布置測點，各測點間距應盡量均勻。

2.3 溫度測點的里面布置 視底板厚度的不同設3-5個測點，頂面和底面測點布置在距混凝土表面5-10cm處，其他中間測點位置可根據有限元計算結果和澆筑方案靈活布置。當布置三個測點時，中間一個測點布置在距頂面為0.6h(h為該測點處板厚)位置處，而不是板厚的正中，因為板內最高溫度往往出現在中間偏下的位置。

2.4 數據采集和整理 澆筑成型初期，每2h測溫一次，持續4 -5d溫度下降后可逐步延長測溫時間。每一時刻的測溫數據可編程繪制平面溫度等值線、立面溫度分布圖。將各時刻測點的溫度匯總，可繪制各測點的溫度變化曲線。

2.5 監測過程中其他注意事項 要關注天氣變化情況，相應調整養護方案。特別注意寒潮預報，寒潮能使氣溫在一天甚至幾個小時內降溫5—10℃，在這么短的時間內混凝土的徐變變形來不及開展，溫度應力增量的松弛少，故表面極容易開裂。底板集水坑、電梯井側壁等不易保溫的部位要加厚保溫層。溫度監測過程中應設置測溫儀器的最大溫差報警值。

3 結論

3.1 實測數據表明基礎底板施工期溫度場的變化完全在事先預測范圍內，有限元仿真計算結果與實際符合較好。保溫層完全拆除后對混凝土表面的詳細觀察表明，除少數基礎剪力墻根部因縱向鋼筋較密，保溫層覆蓋不好導致出現一些細微裂紋外，其它部位均無裂縫出現?？纱蟠筇岣哂嬎憔?，并可根據計算擬定合理的施工方案，有力地保證了工程質量。由于材料熱工參數取值的偏差及現實情況的復雜性和多變性，有限元計算結果亦不可避免地與實測值有偏差，故還應該重視現場監測，根據實測值隨時調整施工方案，做到信息化施工。

3.2 計算和實測結果表明，塑料薄膜如加草袋的保溫效果是極好的，它能有效地提高混凝土表面溫度，縮小混凝土內外溫差，減少混凝土降溫速率，對混凝土的防裂極為有利，建議以后類似工程采用此種保溫方式。但表面覆蓋時間不能太短，一般應保持10—20d后再逐層掀開。

3.3 在底板厚度較大的部位，中心溫升接近絕熱溫升，采用通水冷卻方案是降低其最高溫度的較好方法。水溫和混凝土的溫度差應控制在20—25℃。溫差太小，冷卻效果差;溫差太大，容易產生內部裂縫。進、回水管口應設置換向閥門，通水冷卻時可不斷調換進、回水管口，提高冷卻效果。

參考文獻:

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制.中國電力出版社.1999.

[2]葉琳昌，沈義.大體積混凝土施工.中國建筑工業出版社.1999.