超大面積混凝土地面結(jié)構(gòu)無縫施工數(shù)值模擬研究

李海濤

（重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015）

0 引言

混凝土是由多種材料組成的非均質(zhì)材料。在施工和使用過程中出現(xiàn)不同程度和不同形式的裂縫，是相當(dāng)普遍的現(xiàn)象[1]。通常所說混凝土的無縫施工是指在超大面積地面混凝土施工中，不留設(shè)伸縮縫、后澆帶，將混凝土地面澆筑成超大面積實(shí)體的施工方法。目前主要有以下三種方法解決無縫施工問題：（1）采用預(yù)應(yīng)力的無縫施工技術(shù)；（2）采用膨脹加強(qiáng)帶的無縫施工技術(shù)；（3）采用短距離釋放應(yīng)力的無縫施工技術(shù)[2]。本論文研究的大面積混凝土地面結(jié)構(gòu)無縫施工就是指采用短距離釋放應(yīng)力的無縫施工技術(shù)，即跳倉(cāng)法施工技術(shù)。

1 工程簡(jiǎn)介

某工程位于重慶市西永鎮(zhèn)富士康重慶科技園。建筑面積為84461.37m2，建筑高度22.35m，結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為6度，主體結(jié)構(gòu)使用年限為50年。地面總面積約22011m2，長(zhǎng)172.5m，寬127.6m。地面墊層C20混凝土，剛性層C30鋼筋混凝土。

2 大面積混凝土跳倉(cāng)法施工技術(shù)簡(jiǎn)介

“跳倉(cāng)法”是充分利用了混凝土在5～10d期間性能尚未穩(wěn)定和沒有徹底凝固前容易將內(nèi)應(yīng)力釋放出來的“抗與放”特性原理，將大體積混凝土平面結(jié)構(gòu)劃分成若干個(gè)區(qū)域，按照“分塊規(guī)劃、隔塊施工、分層澆筑、整體成型”的原則施工，即隔一段澆一段(跳開一段澆一段)，相鄰兩段間隔時(shí)間不少于5d，以避免混凝土施工初期部分激烈溫差及干縮作用，這樣就不用留后澆帶了[3]。

但是目前國(guó)內(nèi)施工單位在采用跳倉(cāng)法短距離釋放應(yīng)力無縫施工技術(shù)時(shí)，其跳倉(cāng)間距的確定缺少理論依據(jù)的指導(dǎo)，往往都是憑工程經(jīng)驗(yàn)決定，造成了在許多工程中本可以避免的有害裂縫的出現(xiàn)，影響結(jié)構(gòu)的正常使用[4]。因此，對(duì)超大面積混凝土地面結(jié)構(gòu)無縫施工跳倉(cāng)間距的計(jì)算是超大面積混凝土地面結(jié)構(gòu)無縫施工技術(shù)研究工作中急需解決的問題。對(duì)此問題的研究，有利于規(guī)范超大面積混凝土地面結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與施工，提高混凝土質(zhì)量，為其發(fā)展提供良好的外部環(huán)境，推動(dòng)該技術(shù)的健康發(fā)展。

3 混凝土跳倉(cāng)施工水化熱與溫度關(guān)系的有限元分析

超長(zhǎng)超大面積混凝土開裂的重要因素之一是施工初期混凝土水化熱引起的內(nèi)外溫度不均勻變化，使混凝土產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力在長(zhǎng)度方向的積累過大，超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，混凝土裂縫隨之產(chǎn)生。

3.1 混凝土跳倉(cāng)施工水化熱—溫度模擬

混凝土是一種各向異性、非均質(zhì)復(fù)合型材料，影響混凝土熱學(xué)性能的因素很多，各項(xiàng)材料參數(shù)也難以確定。在分析混凝土跳倉(cāng)施工及水化熱與溫度關(guān)系的模擬中，為了簡(jiǎn)化模型，本文假定混凝土是均勻的各向同性材料，同時(shí)假定鋼筋網(wǎng)的溫度與混凝土的溫度時(shí)刻相同。實(shí)踐證明，采用以上假定條件既可以提高計(jì)算效率，又基本滿足工程的精度要求。

3.1.1 模型信息

以某工程的超長(zhǎng)鋼筋混凝土底板作為模型原型，建立最大一次性澆筑長(zhǎng)度40m、寬度10m、厚度0.3m的混凝土底板有限元模型(如圖1)。模擬中假定混凝土的表面粗糙，平均風(fēng)速為3.0 m/s，混凝土表面與空氣接觸處的放熱系數(shù)為55KJ/(m2·h·OC)，與地面接觸處的放熱系數(shù)為30KJ/(m2·h·OC)。

圖1 有限元模型

3.1.2 單元類型

模型中混凝土采用的是DC3D8（3維8節(jié)點(diǎn)熱分析線性實(shí)體單元）單元類型。

3.1.3 邊界條件

ABAQUS軟件中對(duì)混凝土水化熱與溫度場(chǎng)邊界條件的模擬是通過接觸(in鄄teraction)來實(shí)現(xiàn)的。混凝土與空氣接觸的邊界條件，水泥水化放熱時(shí)，混凝土的外表面會(huì)向空氣中放熱，其散熱系數(shù)為55KJ/(m2·h·OC)，當(dāng) 不與空氣接觸，與地面相接觸時(shí)，其散熱系數(shù) 為30KJ/(m2·h·OC)。

3.1.4 荷載與分析步

本節(jié)只研究混凝土水化熱引起的溫度場(chǎng)，故除了初始溫度為30OC（環(huán)境溫度）外，模型沒有外力荷載。混凝土是熱惰性材料，傳熱是一個(gè)瞬態(tài)過程，因此分析步采用的是熱交換中的瞬態(tài)分析。另外，本節(jié)主要研究鋼筋混凝土底板跳倉(cāng)澆筑施工早期的溫度裂縫，時(shí)間歷程不長(zhǎng)，設(shè)定的分析步長(zhǎng)為168，即168h。

3.1.5 ABAQUS實(shí)現(xiàn)混凝土跳倉(cāng)澆筑方法

利用ABAQUS的生死單元，可實(shí)現(xiàn)混凝土的跳倉(cāng)澆筑過程的模擬。探究澆筑順序?qū)炷翜囟壬呤欠癞a(chǎn)生顯著影響，筆者分兩種方式進(jìn)行分析。即第一種方式為先澆筑兩邊倉(cāng)，再澆筑中間倉(cāng)；第二種方式為先澆筑中間倉(cāng)，再澆筑兩邊倉(cāng)。

3.2 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析

通過有限元軟件的模擬計(jì)算，對(duì)兩種澆筑方式得到的結(jié)果分別如圖2-圖5、圖6-圖9所示，其中第一次澆筑與第二次澆筑為相鄰地面板塊的澆筑。

從結(jié)果可以看出：分析開始時(shí)各種材料處于空氣環(huán)境中還未反應(yīng)，混凝土的溫度為環(huán)境溫度30。隨著混凝土的澆筑，水泥逐漸水化并產(chǎn)生水化熱，混凝土的溫度開始升高。此過程包含了：水泥水化放熱、與空氣接觸的混凝土將產(chǎn)生的水化熱通過混凝土外表面與空氣接觸進(jìn)行熱對(duì)流交換、與地基接觸的混凝土將產(chǎn)生的水化通過混凝土外表面與地基接觸進(jìn)行熱對(duì)流交換。

圖2 第一次澆筑7d后混凝土的溫度場(chǎng)

圖3 第一次澆筑升溫初期混凝土的溫度場(chǎng)

圖4 第二次澆筑7d后混凝土的溫度場(chǎng)

圖5 第二次澆筑升溫初期相鄰倉(cāng)混凝土的溫度場(chǎng)結(jié)果

圖6 第一次澆筑7d后混凝土的溫度場(chǎng)

圖7 第一次澆筑升溫初期混凝土的溫度場(chǎng)

圖8 第二次澆筑7d后混凝土的溫度場(chǎng)

圖9 第二次澆筑升溫初期相鄰倉(cāng)混凝土的溫度場(chǎng)

由于混凝土外表面與空氣接觸面積大，向空氣中散發(fā)熱量，熱量損失較多，混凝土未與空氣接觸的混凝土內(nèi)部，熱量損失較少，因此，混凝土的外部溫度較低，內(nèi)部溫度較高。在混凝土澆筑初期，混凝土內(nèi)外部溫度總體呈升溫趨勢(shì)，在澆筑后6～12h均升溫至40OC以上，在澆筑后8h時(shí)達(dá)到最高溫度40.57OC，這與在實(shí)際工程中運(yùn)用實(shí)用公式計(jì)算時(shí)，混凝土中心最高溫度值44.63OC有所差別，其原因在對(duì)于孜（不同澆筑厚度與混凝土最終絕熱溫升的關(guān)系系數(shù)）的取值上存在問題。相關(guān)資料顯示，相同齡期下，孜的最小值是在澆筑塊厚度為1m的情況下取得，而實(shí)際的澆筑塊只有0.3m，這勢(shì)必影響孜取值的正確性。隨著施工時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土水化放熱趨于停止。混凝土內(nèi)部溫度高于外部溫度，外表的溫度略高于空氣溫度，混凝土?xí)ㄟ^熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流的方式繼續(xù)把內(nèi)部的熱量逐級(jí)地向空氣傳遞，此時(shí)混凝土進(jìn)到了降溫階段。這個(gè)降溫過程當(dāng)混凝土澆筑了120h（5d）時(shí)，混凝土內(nèi)部最高溫度從之前的40.57OC降到了接近環(huán)境溫度30OC，這對(duì)規(guī)范所提出的相鄰倉(cāng)相隔7d的澆筑時(shí)間間隔有所縮短，這對(duì)縮短實(shí)際的施工工期有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)大面積混凝土地面結(jié)構(gòu)短距離釋放應(yīng)力無縫施工技術(shù)進(jìn)行了利用有限元軟件ABAQUS模擬分析施工過程中混凝土水化熱與溫度的關(guān)系，探究相鄰混凝土澆筑塊的溫度傳導(dǎo)關(guān)系。主要結(jié)論有：對(duì)于不同澆筑順序的混凝土中心部位升溫情況相近，“先兩邊、再中間”與“先中間、再兩邊”的澆筑順序?qū)炷恋淖罡邷厣涤绊懖淮蟆?duì)于續(xù)澆段而言，一方面，其成為相鄰澆段的某一界面的保溫層；另一方面，其又把自身產(chǎn)生的水化熱傳遞給相鄰澆段。這將在一定范圍內(nèi)影響混凝土的溫升值。但當(dāng)混凝土澆筑塊長(zhǎng)度很大，這一范圍并不足以影響到混凝土的最高溫升值，因此“先兩邊、再中間”與“先中間、再兩邊”這兩種澆筑順序的不同，對(duì)相鄰澆段接觸面的溫度影響是很有限的。

[1]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[2]李棟，劉濤瑞，靳艷軍.超長(zhǎng)超寬超深水位下混凝土結(jié)構(gòu)跳倉(cāng)法施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2007(12):61-63.

[3]陸慶.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的分析與控制[J].山西建筑，2007，33(5):81-82.

[4]張俊文.大面積混凝土地坪跳倉(cāng)法施工技術(shù)研究[J].科技論壇，2013（12）:156.