筏板基礎(chǔ)大體積混凝土施工溫度場數(shù)值模擬

常 杰

（中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 101400）

大體積混凝土在硬化過程中由于水化熱的作用，其內(nèi)部溫度較高，與表面混凝土形成較高的溫度差，由于約束作用，導(dǎo)致其內(nèi)部溫度發(fā)生變化卻無法發(fā)生自由變形從而產(chǎn)生溫度約束應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土早期抗拉強(qiáng)度時(shí)即形成裂縫，控制混凝土出現(xiàn)早期裂縫的重要措施之一是減小溫度應(yīng)力，而控制溫差是減小應(yīng)力的最直接方式。實(shí)際施工時(shí)通過采取合理的澆筑形式以控制里表溫差在合理范圍。

陳兆榮通過有限元模擬大體積混凝土梁的水化過程，證明分層法澆筑可明顯降低大體積基礎(chǔ)梁的水化熱溫升，使內(nèi)外溫差維持在合理范圍內(nèi)，應(yīng)力也相應(yīng)小于允許應(yīng)力，有效控制了溫度裂縫的產(chǎn)生[1]。王繼祥利用Midas/FEA 中水化熱分析模塊，對大體積混凝土進(jìn)行施工模擬后發(fā)現(xiàn)，分層施工澆筑可降低混凝土內(nèi)部最大溫升，實(shí)際澆筑過程中通過合理分層可以有效控制新老澆筑層之間的約束力，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)[2]。

通過有限元軟件模擬大體積混凝土的澆筑過程，根據(jù)得到的結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際施工是目前常用的方法。劉國飛利用有限元軟件Midas/Civil 對承臺大體積混凝土施工期水化熱進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了水化熱變化規(guī)律及溫度分布規(guī)律，并與實(shí)際溫度監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析，提出了合理的施工方案，據(jù)此指導(dǎo)現(xiàn)場溫度控制[3]。苗勝軍等人采用ANSYS 有限元軟件熱分析模塊對大體積承臺水化過程中的溫度場和溫度應(yīng)力進(jìn)行了模擬研究，證明模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的一致性[4]。陳玉香等人通過采用有限元數(shù)值方法，分析了分層澆筑的大體積混凝土溫度場變化規(guī)律，結(jié)果表明分層澆筑的施工方法通過降低混凝土的峰值溫度，以避免溫度裂縫的產(chǎn)生[5]。傅蜀燕基于ANSYS建立大體積混凝土澆筑有限元模型，分析了實(shí)際工程中的水化熱問題，論證了模擬結(jié)果的可靠性，通過對澆筑過程的數(shù)值模擬分析，可尋找到最優(yōu)澆筑層數(shù)，縮短施工時(shí)間[6]。王錕采用ANSYS 軟件對某水電站大壩大體積混凝土溫度場進(jìn)行模擬分析，證明了ANSYS 有限元軟件在混凝土溫控計(jì)算中的適用性，使用有限元軟件進(jìn)行溫度仿真分析計(jì)算結(jié)果可靠，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供依據(jù)，可更真實(shí)地模擬大體積混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造[7]。趙健等人根據(jù)有限元模擬結(jié)果對大體積承臺施工采取了溫控措施，預(yù)防承臺混凝土水化熱及環(huán)境溫度變化引起的開裂現(xiàn)象發(fā)生[8]。經(jīng)證明，有限元軟件模擬得到的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果具有高度一致性，結(jié)合具體工程，對大體積混凝土進(jìn)行溫度場模擬，提高了解決工程實(shí)際問題的效率。

本文結(jié)合昆明市官渡區(qū)人民醫(yī)院項(xiàng)目筏板基礎(chǔ)工程，擬通過ANSYS 有限元軟件，分別模擬推移式分層澆筑與整體澆筑的過程，得到相應(yīng)的溫度場結(jié)果。對比兩種澆筑形式下的溫度變化規(guī)律，驗(yàn)證推移式分層澆筑對大體積混凝土內(nèi)部峰值溫度及內(nèi)外溫差的控制效果，從而為實(shí)際施工提供理論依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

昆明市官渡區(qū)人民醫(yī)院遷建項(xiàng)目建設(shè)用地位于原巫家壩機(jī)場北端，項(xiàng)目總用地面積61 680m2，總建筑面積198 322m2，其中地上面積122 252m2，地下面積76 070m2。地下室筏板基礎(chǔ)厚度1.8m，根據(jù)整體幾何尺寸以及內(nèi)部水化將引起的劇烈溫度變化情況，考慮作為大體積混凝土編制施工方案。

1.2 施工方案初步設(shè)計(jì)

大體積混凝土分層澆筑方式主要分為三類：整體分層澆筑、推移式連續(xù)澆筑、斜面分層推移式澆筑。本工程作為面積較大、厚度不大的筏板基礎(chǔ)，擬采取推移式連續(xù)澆筑的施工方案。澆筑點(diǎn)不斷前推，澆筑點(diǎn)前面的混凝土形成自然流淌斜面，澆筑點(diǎn)后面的混凝土澆筑到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

2 有限元分析

2.1 模型的建立

選取局部筏板基礎(chǔ)作為分析對象，分別考慮整體一次澆筑與推移式連續(xù)澆筑的施工方法，結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 不同澆注形式下的有限元模型

其中分層澆筑過程通過ANSYS 單元生死過程實(shí)現(xiàn)，按照澆筑次序在特定時(shí)刻逐塊激活相應(yīng)的塊體或單元，實(shí)現(xiàn)順序澆筑過程的仿真。對全部節(jié)點(diǎn)的溫度自由度約束成起始澆筑溫度，通過刪除相應(yīng)溫度約束的方式，以使模擬所得的溫度場結(jié)果更為合理。

2.2 模型參數(shù)的確定

2.2.1 水化熱

水泥水化熱是影響混凝土溫度應(yīng)力的一個(gè)重要因素，實(shí)際溫度場計(jì)算中采用混凝土絕熱溫升θ，通常采用絕熱溫升試驗(yàn)設(shè)備直接測定。水泥水化熱是依賴于齡期的，本文采用指數(shù)形式模擬水泥水化熱曲線。混凝土絕熱溫升則根據(jù)水泥水化熱估算并通過生熱率HGEN實(shí)現(xiàn)，生熱率是混凝土生熱量對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，表示單位時(shí)間內(nèi)混凝土的生熱量。具體公式如下：

式中m——水泥的水化放熱系數(shù)；

Q0——齡期內(nèi)（通常為28d）單位質(zhì)量水泥水化放熱總量，根據(jù)現(xiàn)場施工混凝土配合比由經(jīng)驗(yàn)確定；

t——齡期；

W——每m3混凝土膠凝材料用量；

K——折減系數(shù)，粉煤灰取0.25。

結(jié)合工程的實(shí)際配合比（表1），模擬水化升溫曲線。

表1 混凝土施工配合比

2.2.2 初始條件及邊界條件

初始條件為混凝土內(nèi)部溫度的初始瞬時(shí)分布規(guī)律，邊界條件則為混凝土表面與周圍介質(zhì)之間的溫度相互作用規(guī)律。混凝土的初始溫度即為混凝土的澆筑溫度16℃。澆筑時(shí)表面與空氣直接接觸，存在熱對流，對流系數(shù)通過定義數(shù)組的方式，與空氣直接接觸的表面對流系數(shù)取1807 488J/(m2d℃），與空氣間接接觸的對流系數(shù)取值為401 664J/（m2d℃），根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測值將變化的溫度荷載施加于混凝土表面。

2.2.3 有限元結(jié)果分析

利用ANSYS 有限元軟件，分別模擬了推移式連續(xù)澆筑與整體一次澆筑的施工方式，得到不同的溫度場對比結(jié)果，溫度場云圖如圖2 所示。兩種不同澆筑形式下的溫度場分布均為中心溫度高，外側(cè)溫度低，內(nèi)外側(cè)形成溫度差。

圖2 不同澆筑形式下的溫度場云圖

圖3 顯示了不同澆筑方式下，澆筑結(jié)束至前7d 中心節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部溫升曲線。兩條曲線的溫升規(guī)律基本相近，早期溫度上升，達(dá)到峰值點(diǎn)后溫度逐漸下降。從數(shù)值上分析，采用整體澆筑方式，內(nèi)部升溫速率快，峰值溫度達(dá)到近75℃。而相比之下，采用推移式分層澆筑得到的峰值溫度較低，約63℃，分層澆筑使內(nèi)部峰值溫度下降近10℃左右。

圖3 內(nèi)部溫升曲線

選取距離上表面約100mm 深度位置處的節(jié)點(diǎn)溫度代表混凝土表面溫度，其溫度時(shí)程曲線如圖4 所示。由于外界環(huán)境溫度不斷變化，曲線略有波動，但總體趨勢與內(nèi)部溫升曲線相近，澆筑2～3d 左右達(dá)到峰值溫度。相較于整體澆筑方式，分層澆筑達(dá)到的峰值溫度較低，降低近10℃左右，表面溫度與環(huán)境溫度保持在較低的溫差范圍內(nèi)。

圖4 表面溫升曲線

混凝土自澆筑開始，水泥水化作用不斷放熱，由于澆筑表面與空氣直接接觸，通過對流作用，溫度下降較快，但內(nèi)部熱量無法及時(shí)散出，從而形成較大的里表溫差。一般規(guī)定，混凝土中心溫度和表面溫度之差不應(yīng)大于25℃，溫差過大容易形成有害裂縫。大體積混凝土較大的里表溫差是形成溫度應(yīng)力的重要原因，因此，推移式連續(xù)澆筑所能到達(dá)的最大里表溫差能夠滿足規(guī)范要求是作為采用該澆筑方式的主要理論依據(jù)。如圖5 所示，曲線上的溫差值是從澆筑結(jié)束后開始計(jì)算的，推移式分層澆筑下層水化放熱時(shí)間早于上層，因此在開始階段其里表溫差略大于整體澆筑的溫差，隨著整體水化放熱的進(jìn)行，其里表溫差的增長趨勢逐漸小于整體澆筑，最終達(dá)到的最大溫差值小于整體澆筑的溫差。若直接進(jìn)行整體澆筑，內(nèi)外溫差的最大值超過25℃，無法滿足規(guī)范要求。利用分層澆筑的方式，能相對分散內(nèi)部水化熱量，使里表溫差值下降。根據(jù)推移式分層澆筑的溫差模擬曲線，可以直觀看到，里表溫差最大接近22℃，滿足規(guī)范對溫度的要求，證明其作為大體積筏板基礎(chǔ)的澆筑方式具有合理性。

圖5 大體積筏板基礎(chǔ)里表溫差

3 施工方案編制

根據(jù)模擬結(jié)果，制定具體的推移式連續(xù)澆筑的施工方案。結(jié)合工程實(shí)際，采用“分段定點(diǎn)、薄層澆筑、一個(gè)坡度、循環(huán)推進(jìn)、一次到頂”的施工方式[12～13]。“分段定點(diǎn)”是指按混凝土澆筑自然流淌長度進(jìn)行分段定點(diǎn)（商品混凝土自然流淌長度約18m）；“薄層澆筑”是指混凝土一次澆筑到頂形成坡面后，其以后各層厚度不得超過500mm，且每次下料都必須蓋住坡腳，確保不形成冷縫；“一個(gè)坡度”是指按首次成型坡面基本保持原樣向前澆筑，以控制下料路線和防止產(chǎn)生冷縫；“循環(huán)推進(jìn)”是指按澆筑流向依次向前澆筑；“一次到頂”是指混凝土每次下料必須達(dá)到頂板標(biāo)高，然后依次向前推進(jìn)。

1）地下室筏板混凝土澆筑路線如圖6 中箭頭方向，澆筑順序按19 區(qū)→20 區(qū)→21 區(qū)→17 區(qū)→15 區(qū)→14 區(qū)→10 區(qū)→9 區(qū)→5 區(qū)→4 區(qū)施工。

圖6 筏板施工段劃分圖

2）澆筑前須認(rèn)真核對混凝土澆筑申請單、混凝土配合比單，確保所澆筑的混凝土不超過初凝時(shí)間，檢測混凝土出倉溫度，并做好坍落度的現(xiàn)場測試工作，澆筑過程中嚴(yán)禁向混凝土中加水。如因停滯時(shí)間過長導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)初凝、離析等現(xiàn)象，應(yīng)堅(jiān)決退回。

3）采用ZN50 插入式振搗器進(jìn)行底板混凝土振搗時(shí)，振搗器要快插慢拔，插點(diǎn)均勻設(shè)置，逐點(diǎn)移動，順序進(jìn)行，振實(shí)均勻，不得遺漏。移動間距不大于振搗作用有效半徑的1.5 倍（約為450mm），控制振搗時(shí)間（約為20～30s），實(shí)際以混凝土泛漿和冒泡為準(zhǔn)，避免漏振、欠振和超振。在下一層混凝土初凝前進(jìn)行上一層混凝土的振搗，為防層間接縫，必須插入下層50mm。振搗器距離模板不大于450mm，并不緊靠模板振動。用平板振搗器振搗底板混凝土?xí)r，每一位置上連續(xù)振動一定時(shí)間，直至表面均勻出漿，移動時(shí)必須逐行拖進(jìn)，成排一次進(jìn)行，前后位置和排與排之間有1/3 平板寬度的搭接，以防漏振。澆筑板混凝土的虛鋪厚度，略大于板厚約10mm，用平板振搗器順澆筑方向拖拉振搗，不允許用振搗棒鋪攤混凝土。

4）根據(jù)實(shí)際情況，考慮后期具體的養(yǎng)護(hù)方式及溫控措施。基礎(chǔ)底板采用覆蓋薄膜加土工布方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。混凝土內(nèi)部峰值溫度出現(xiàn)在澆筑后2d 后，如在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)出現(xiàn)溫差接近和超過25℃，則要立即采取加厚覆蓋保溫措施。為保證混凝土初期強(qiáng)度要求，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得小于14d（里表溫差小于25℃后，灑水養(yǎng)護(hù)）。

4 結(jié)論

1）大體積混凝土水泥水化放熱產(chǎn)生的熱量顯著，熱量集中于內(nèi)部，必然產(chǎn)生較大的內(nèi)外溫差，溫差超過允許范圍后表面形成溫度裂縫。因此，大體積混凝土不能采用一次整體澆筑的方式，在澆筑前必須考慮合理的施工方案，并采取措施嚴(yán)格控制后期溫度的變化。

2）推移式連續(xù)澆筑相較于整體一次澆筑能夠有效地降低混凝土內(nèi)部溫度峰值，減小里表溫差，使溫度控制滿足規(guī)范要求。

3）ANSYS 軟件可以方便地模擬混凝土澆筑的全過程，通過建立實(shí)際模型，得到直觀的溫度場結(jié)果以及各節(jié)點(diǎn)隨齡期的溫度變化規(guī)律，對解決工程實(shí)際問題具有重要的參考意義。