以某工程為例探討大體積混凝土裂縫控制

羅春如

（廈門建發(fā)汽車有限公司，福建 廈門 361000）

前言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和建筑技術(shù)的發(fā)展，建筑規(guī)模不斷擴(kuò)大和各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，大體積混凝土在土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用。大家都知道，混凝土溫度應(yīng)力，取決于混凝土澆筑溫度、水泥水化熱和混凝土表面溫度。即通過(guò)優(yōu)化配合比，選擇水泥品種，改善混凝土養(yǎng)護(hù)條件，亦可達(dá)到控制大體積混凝土裂縫的目的。

通過(guò)該工程說(shuō)明混凝土溫控計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)測(cè)溫差之間存在著一定偏差，為此需要更精確的計(jì)算方法，以更好地指導(dǎo)大體積混凝土施工實(shí)踐。由總溫差引起的最大拉應(yīng)力和由溫度引起的自約束應(yīng)力是否滿足混凝土的抗裂要求，是判斷大體積混凝土是否會(huì)出現(xiàn)裂縫的可靠依據(jù)。在目前經(jīng)常采用的工程算法，由于以截面中心最高溫度降溫曲線代替平均降溫曲線，采用經(jīng)驗(yàn)公式確定溫度近似解，并直接應(yīng)用于相似工程裂縫控制，因此，近似解偏于安全，沒(méi)有考慮混凝土內(nèi)部溫度和外界氣溫影響的連續(xù)變化。對(duì)澆筑塊厚度 的溫度修正系數(shù)，也采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)而得，很難確切地反映實(shí)際施工中的溫度變化規(guī)律，僅供工程實(shí)踐參考。

1 工程概況

本文以某工程基礎(chǔ)底板混凝土溫控工程算法為例，該基礎(chǔ)平面尺寸為38.78m×31.08m，一般混凝土厚1.5m，局部加厚，最厚處達(dá)3.9m，混凝土澆筑量約2200m3。施工澆筑時(shí)間為2006年5月23日5時(shí)至5月24日4時(shí)。澆筑環(huán)境平均氣溫21℃。混凝土強(qiáng)度C35，防水等級(jí)P8。基礎(chǔ)底板采用斜面分層連續(xù)推進(jìn)，自然流淌，一次到頂?shù)氖┕すに嚒?/p>

經(jīng)計(jì)算，1.5m厚混凝土內(nèi)部最高溫度為Tmax=Tj+T3=40.22℃，采用磚砌外模(局部鋼模板)，混凝土的表面溫度為Tmax=24.82℃，中心最高溫度與表面溫度之差為 Tmax-Tb（T）=15.40℃，未超過(guò)25℃的規(guī)定。而表面溫度與大氣溫度之差為Tb(T)-Tq=3.82℃，亦未超過(guò)25℃的規(guī)定，故不需要采取其他措施，即可保證混凝土質(zhì)量。

以上數(shù)據(jù)結(jié)合圖1，2所示工程實(shí)測(cè)平均溫度曲線分析得出，混凝土溫控計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在差異。例如，3.9m厚混凝土工程算法得到的最高溫度和最大溫差值分別為50.15℃和26.69℃，實(shí)測(cè)最高溫度值和最大溫差值分別達(dá)到70.4℃和36.0℃，說(shuō)明混凝土溫控計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)測(cè)溫值之間存在著一定偏差，為此，需要更精確的計(jì)算方法，以更好地指導(dǎo)大體積混凝土施工實(shí)踐。

圖1 3.9m厚筏板實(shí)際數(shù)據(jù)曲線

按照施工技術(shù)要求，如此厚度的混凝土筏板基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)布設(shè)循環(huán)冷卻水管，以降低混凝土內(nèi)部由于水泥水化熱積聚而導(dǎo)致的過(guò)高溫度，防止混凝土筏板基礎(chǔ)由于里表溫差過(guò)大而造成裂縫出現(xiàn)。但由于業(yè)主和施工單位提出降低工程造價(jià)并加快施工進(jìn)度的要求，本工程考慮到筏板基礎(chǔ)大部分板厚為1.5m，經(jīng)過(guò)理論可行性分析，本次混凝土底板施工中不設(shè)循環(huán)冷卻水管，采取減少混凝上配合比重的水泥，并通過(guò)施工過(guò)程的溫度監(jiān)控以及隨時(shí)施加相應(yīng)的混凝土養(yǎng)護(hù)措施，即可滿足混凝土抗裂要求。

2 水泥水化熱的影響

大體積混凝土中，熱傳導(dǎo)主要考慮水泥水化熱的影響，水化熱是隨時(shí)間變化的物理量，因此，屬于不穩(wěn)定的溫度場(chǎng)范疇，其求解方法主要有解析解法、有限差分解法和有限單元法。大量的工程計(jì)算表明，一維溫度場(chǎng)計(jì)算采用差分法比較方便。二維和三維溫度場(chǎng)的計(jì)算，則以采用有限單元法為宜。與差分法相比，有限單元法具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)易于適應(yīng)不規(guī)則邊界；(2)在溫度梯度較大的區(qū)域，可以采取局部加密網(wǎng)格的措施，提高計(jì)算精度；(3)易于與計(jì)算應(yīng)力的有限單元法程序配套，將溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和徐變變形三者納入一個(gè)統(tǒng)一的程序進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題求解

假設(shè)混凝土材料參數(shù)不隨溫度變化，則所討論問(wèn)題是線性的。采用隱式解法的向后差分法求解線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題，在隱式解法中，向后差分法的效果較好。

在瞬態(tài)熱傳導(dǎo)中，根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到下列公式：

上式為線性方程組。在初始瞬時(shí)，t=0，將視為{T}n，代入上式，即可求出第一時(shí)段溫度{T}n，逐步遞推，可計(jì)算出任意時(shí)刻的溫度。

2.2 傳熱問(wèn)題

為了充分考慮大體積混凝土溫度場(chǎng)和土壤溫度場(chǎng)的相互影響，可采用一維非穩(wěn)定耦合熱傳導(dǎo)方程組來(lái)描述混凝土的傳熱問(wèn)題。

3 ANSYS5.7計(jì)算結(jié)果分析

為了確定大體積混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布規(guī)律以及運(yùn)用耦合溫度場(chǎng)的必要性，為預(yù)防混凝土裂縫的產(chǎn)生提供數(shù)據(jù)，本文采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)基礎(chǔ)底板的大體積混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.1 有限元計(jì)算的基本假設(shè)

由于影響大體積混凝土開(kāi)裂的因素很多，本有限元計(jì)算模型作以下假設(shè)：(1)假定混凝土為均質(zhì)各向同性材料，結(jié)構(gòu)在溫度和靜載作用下，材料處于彈性范圍，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度變形符合貝努力平面假定；(2)在本結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)范圍內(nèi)，認(rèn)為材料特性不隨溫度改變；(3)基礎(chǔ)混凝土不發(fā)生收縮變形，墻體混凝土收縮變形均勻分布；(4)熱源放熱率為時(shí)間函數(shù)，與空間變量無(wú)關(guān)；(5)基礎(chǔ)底板視為整體，不考慮施工過(guò)程中的分層和非連續(xù)澆搗，以及鋼筋傳熱等因素。

3.2 計(jì)算對(duì)象選取

取大體積混凝土和土壤實(shí)體建模，其中，底板混凝土長(zhǎng)38.78m，寬31.08m，絕大部分厚1.5m，局部加厚，最厚處達(dá)3.9m；土壤厚2.5m，長(zhǎng)46.78m，寬39.08m。模型采用空間8節(jié)點(diǎn)等參單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，采用熱單元SOLID70。底板基礎(chǔ)有限元模型如圖3所示。

3.3 邊界條件與初始條件

土壤底部及側(cè)面采用第二類邊界條件，取絕熱狀態(tài)。混凝土頂部與空氣接觸并形成熱對(duì)流邊界，前期有覆蓋養(yǎng)護(hù)措施，后期為光滑固體表面與空氣接觸。四周為通過(guò)木模板與空氣進(jìn)行熱交換，屬于第三類熱學(xué)邊界條件。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

由圖4可以明顯地看出，筏板基礎(chǔ)各部分混凝土澆筑過(guò)程的應(yīng)力分布狀態(tài)均表現(xiàn)出明顯共同趨勢(shì)。在混凝土澆筑初期，混凝土溫度上升，在混凝土內(nèi)產(chǎn)生了壓應(yīng)力，而伴隨水化反應(yīng)，混凝土產(chǎn)生體積變形，體積縮小產(chǎn)生了拉應(yīng)力，兩者相互抵消一部分的應(yīng)力，但是總的應(yīng)力還是呈現(xiàn)壓應(yīng)力。但是，早期的混凝土的彈性模量較小，故而早期混凝土應(yīng)力較小。混凝土一般在澆筑3～5d后溫度開(kāi)始下降，收縮還在繼續(xù)，混凝土逐漸由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，由于初期混凝土降溫較快，所以，拉應(yīng)力開(kāi)始增長(zhǎng)較快。混凝土降溫由快到慢，因而，混凝土收縮也由快到慢，總體上混凝土的拉應(yīng)力增長(zhǎng)趨緩。但是，長(zhǎng)時(shí)間拉應(yīng)力值增長(zhǎng)較大，最終拉應(yīng)力可達(dá)3.38MPa。

另一方面，采用有限元仿真分析溫度應(yīng)力場(chǎng)，雖然與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試存在一定的差異，但總的趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，還是一致的，基本上沒(méi)有超過(guò)相對(duì)齡期的抗拉強(qiáng)度。其計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果存在差異的原因，主要為以下幾點(diǎn)：

(1)由于溫度場(chǎng)仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的差異，導(dǎo)致溫度應(yīng)力場(chǎng)仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的差異。(2)在溫度應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算過(guò)程中，由于彈性模量隨時(shí)間變化太快7d的彈性模量就達(dá)到28d的彈性模量的92%)，故而，在仿真分析中采用了近似的曲線，帶來(lái)了一定的誤差。(3)在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試中，難免受到施工工藝的影響，也導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的誤差，但兩者溫度應(yīng)力總的趨勢(shì)基本上是一致的。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章主要對(duì)體積混凝土瞬態(tài)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行研究探討，希望能給同行參考價(jià)值，本文根據(jù)分析了大體積混凝土瞬態(tài)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)，與該工程大體積混凝土溫控實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，形成可靠的依據(jù)！

[1] 姜君，淺議水工混凝土裂縫與施工縫的處理[J].水利科技與經(jīng)濟(jì).2008，14(7).