大體積混凝土邊界影響及管冷優化研究應用

何熊偉

(中鐵二局集團有限公司 四川成都 610031)

0 引言

大體積混凝土澆筑后，水泥水化放出大量的熱量會使混凝土內部的溫度升高。混凝土表面散熱較快，而大體積混凝土結構較厚，且自身導熱性能差，水泥水化的熱量聚集在結構內部不易散失，使混凝土內外溫差大，在大體積內部產生溫度應力。當溫度應力足夠大時，澆筑的大體積混凝土會產生貫穿整個界面的溫度裂縫，給結構帶來重大的損傷，嚴重地影響工程結構安全，現已引起廣大工程師、學者關注。

當前，國內外的學者對上述問題進行了大量的配合比優化、溫度應力、溫度控制和裂縫控制等研究[1-5]。楊磊[6]分析了冷卻水管不同間距對冷卻速度的影響。王新剛等[7]利用有限元軟件MIDAS/CIVIL，對埋設冷卻水管的大體積混凝土的溫度場進行計算，分析水管布置形式，水管直徑、管距、長度，冷卻水流量等因素對溫度場的影響，并綜合考慮冷卻效率和施工成本，提出較為合理的冷卻水管布置方案。魏德敏等[8]針對大體積混凝土基礎，進行混凝土澆筑后的溫度場有限元分析，研究分析了冷卻水管水平間距、豎向間距、入模溫度與冷卻水入管溫度之差、水管長度、冷卻水流量、混凝土基礎厚度等參數對混凝土最高溫度的影響。然而，迄今為止，多數研究尚未考慮混凝土邊界散熱、冷卻水水溫對內部溫度場及管冷布設的影響。

基于此，本研究以某超高層建筑筏板基礎大體積混凝土為背景，采用MIDAS/GEN有限元分析軟件對邊界散熱及管冷優化進行數值模擬分析，以最優的管冷布置方式、合理的保溫措施及結合分階段變溫通水應用到實際施工中，達到了大體積混凝土結構降溫防裂的目的。同時，通過施工過程的監測對比，驗證了數值模擬的正確性。

1 工程概況

該建筑為超高層辦公樓，建筑高度343.255m，采用柱下條基、筏板及抗水板的基礎結構形式。筏板基礎區域28.6m×28.3m，厚度為4.0m，局部電梯井區域厚度達5.5m、6.0m，如圖1所示。混凝土采用C40混凝土，整個基礎澆筑方量8350m3，其中核心筒筏板混凝土澆筑方量3450m3，屬于典型的大體積混凝土范疇，是本次研究的對象。

圖1 基礎平面布置示意

2 有限元模型建立

2.1 材料及相關參數

大體積混凝土宜首選大壩專用水泥，其次選擇礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥。該工程所涉及的C40大體積混凝土配合比設計如下：

(1)采用雙摻方式，膠凝材料中加入大量的粉煤灰和礦粉；

(2)以強度為主要指標，坍落度和擴展度作為參考，通過正交試驗分析不同因素的影響規律；

(3)以正交試驗得出的規律為基礎，設計若干組滿足強度的混凝土配合比。

通過對其工作性能、力學性能進行測試，得出最佳的配合比如表1所示。

表1 基礎混凝土配合比

根據相關資料[1-6]，有限元模型所選參數如表2所示。

表2 有限元模型各參數列表

注：根據文獻[1]表面覆蓋對流系數為5cm麻袋參數。

2.2 基本假定及邊界條件

(1)基本假定

數值模擬的3種假定如下：

①視模型環境溫度為定值，取值20℃；

②混凝土為均質體，且一次性澆筑完成；

③不計內部鋼筋、管冷對混凝土量的影響。

(2)邊界條件

數值模擬筏板基礎溫度場的4種邊界條件如下：

①筏板基礎的地基為固定約束邊界；

②模型為筏板基礎的一半，故對稱面邊界為對稱約束邊界；

③筏板基礎與地基接觸面為熱傳導邊界；

④大氣與筏板基礎的接觸面為對流邊界。

2.3 模型的建立及特征點選取

2.3.1模型的建立

以MIDAS/GEN中取筏板基礎實際尺寸的1/2建模計算。模型上部結構為筏板混凝土結構，下部為地基。筏板基礎尺寸為28.0m×14.0m×4.0m，局部有電梯井，地基尺寸為40.0m×20.0m×8.0m，如圖2所示。

圖2 筏板基礎1/2模型

2.3.2特征點選取

所選取筏板特征點位置分布如圖3所示。

圖3 筏板特征點位置分布

3 邊界影響及表面覆蓋延申分析

數值模擬在筏板澆筑完成后，混凝土表面覆蓋5cm麻袋最高溫度出現在130h附近，圖4為130h溫度場，筏板中心點的最高溫度為80.58℃。

圖4 表面覆蓋麻袋時130h溫度云圖

3.1 邊界影響范圍分析

選擇混凝土各表面幾何中心點作為特征基準點，混凝土內部與表面中心不同距離的特征點，在不同時刻的溫度曲線圖，如圖5～圖7所示。

圖5 上表面溫度曲線

圖6 側面溫度曲線

圖7 底面溫度曲線

由圖5～圖7可知，基礎混凝土內部特征點的溫度隨著與表面基準點距離的增大而升高，溫度梯度逐漸減少，最終趨于收斂。

取各圖收斂溫度數值95%對應的距離作為基礎混凝土與地基或覆蓋麻袋接觸邊界散熱的有效影響范圍，基礎混凝土與地基接觸邊界在不同時間點的有效范圍如表3～表5所示。

表3 上表面有效影響范圍

表4 側面有效影響范圍

表5 底面有效影響范圍

由表3～表5可知，筏板基礎各表面在筏板混凝土溫度達到峰值時(130h)的影響范圍分別為0.93m、1.06m及1.04m，在進行管冷布設時，可取各邊界的影響范圍為1.0m。

3.2 表面覆蓋延申范圍分析

由于筏板基礎上表面的棱邊點處屬于溫度最低部位，故在上表面加設保溫措施(麻袋覆蓋)時，于基礎表面棱邊位置處將保溫覆蓋向外延伸，確保棱邊位置處溫度不宜過低。

上表面棱邊特征點在不同覆蓋延伸長度的溫度時程曲線如圖8所示。

圖8 覆蓋延伸棱邊特征點溫度時程曲線

上表面棱邊特征點在不同覆蓋延伸長度情況下與筏板中心點的溫差時程圖如圖9所示。

圖9 覆蓋延伸棱邊特征點與筏板中心點溫差時程曲線

由以上特征點時程曲線圖可以得出：

①表面棱邊點在向外覆蓋延伸后較未向外覆蓋延伸溫度明顯提高，棱邊處最高溫度提高10℃左右，確定向外覆蓋后對棱邊處有很好的保溫作用效果。故，筏板基礎在加設保溫措施時有必要向棱邊外延伸保溫措施。

②在保溫延伸距離1.0m到1.5m時，棱邊處的溫度已趨于收斂。從經濟與效益的層面考慮，向外延伸的保溫措施距離宜為0.5m～1.0m。

③采取覆蓋措施后的筏板基礎里表溫差最大值超過了《大體積混凝土施工規范及條文說明》中規定的混凝土澆筑塊體里表溫差不宜大于25℃，故還需要在筏板混凝土中采取內部管冷降溫措施。

4 管冷影響分析及布設

4.1 管冷影響范圍分析

在表面保溫覆蓋狀態下，主要對管冷徑向影響范圍在筏板中部位置布置一根管冷貫通整個筏板混凝土結構。管冷采用外徑φ32mm，壁厚2.0mm焊管，入水溫度為20℃，流量取值1.2m3/h[8]。

根據MIDAS/GEN計算分析后，取管冷中部處橫向相應特征點計算結果，與管冷中心不同距離特征點的溫度時程曲線，如圖10所示。

圖10 管冷對混凝土的溫度時程曲線

取管冷收斂溫度值95%對應的距離作為有效影響范圍。不同時間點的有效影響范圍如表6所示。

表6 上表面有效影響范圍

由表6可知，在筏板混凝土溫度達到峰值時(130h)管冷的影響范圍為1.15m。

4.2 管冷優化及變溫通水設置

根據邊界影響范圍及管冷影響分析，對核心筒筏板基礎管冷采用如下布置：冷卻管豎向間距為1.0m，水平間距為1.5m，如圖11所示。基礎上表面為覆蓋5cm的麻袋，并超出筏板基礎邊界1.0m。

圖11 筏板管冷布置剖面示意

同時，為避免冷卻水與混凝土內部溫差過大出現溫度裂縫，根據模擬結果冷卻水宜與混凝土內部溫度差保持在20℃～25℃內。根據數值模擬結果分析，將筏板基礎混凝土內部降溫分為以下階段：0～10h冷卻水溫度宜為20℃左右，10h～30h冷卻水溫度宜為35℃，30h～45h冷卻水溫度宜為45℃，45h～170h冷卻水溫度宜為50℃，170h～240h冷卻水溫度宜為45℃，240h～350h冷卻水溫度宜為35℃。模擬結果顯示，筏板基礎混凝土澆筑完成后，內部最高溫度為68.71℃，出現在澆筑完成后的100h，并且過溫度峰值后的降溫速率為1.23℃/d。

5 現場施工及監測結果分析

現場實際進行基礎大體積混凝土施工時的環境溫度為22～28℃，歷時約57h，共澆筑8350m3混凝土。混凝土的相關性能指標如表7所示。

表7 混凝土施工各性能指標

根據有限元模擬結果，在現場澆筑的混凝土內布置管冷后設置17個測溫點，筏板基礎11個，條形基礎6個，監測點的測位布置示意，筏板基礎測溫點布設如圖12所示。

圖12 筏板基礎測溫點布設示意

采用自行研發的DS18B20溫度傳感器及無線測溫采集監控平臺進行數據采集，數據采集器每隔2.5min采集一次溫度數據，可反應實時溫度數據曲線。指定專人負責掌握基礎內部實際溫度變化情況，對布設點時時進行監視溫度及溫差變化情況，以調整管冷入水溫度及養護工作。筏板基礎幾何中心點的監測數據，限于文章篇幅以T1監測結果進行分析，如圖13、圖14所示。監測大氣溫度的測位探頭距混凝土面300mm，監測混凝土表面溫度的測位探頭置于麻袋覆蓋面下，監測混凝土內部最上端和最下端的測位探頭距混凝土面距離100mm，混凝土內部其余測位探頭則均勻分布。

圖13 監測點T1溫度時程曲線

圖14 監測點T1里表溫差及與大氣溫差時程圖

由圖13～圖14可以看出，核心筒筏板基礎內部的最高溫度出現在澆筑后的120h左右，最高溫度數值為66.6℃。最大里表溫差數值均在規范要求25℃的控制范圍內，且表面與大氣溫差亦在規范要求20℃的控制范圍內。過溫度峰值后，監測點的降溫幅度為1.37℃/d，滿足規范要求降溫幅度不宜超過2℃/d。上述監測數據與模擬數值接近，驗證了數值模擬的準確性。

6 結論

通過對該工程筏板基礎邊界影響及管冷影響的有限元模擬分析，最終確定筏板基礎的管冷布置方案及變溫通水設置，指導現場施工，達到了筏板基礎溫差及降溫幅度控制要求。根據分析結果得出以下結論：

(1)大體積混凝土的邊界影響范圍在內部溫度達到峰值時，邊界的影響范圍在1.0m左右，側面及底面可不做保溫措施。

(2)大體積混凝土采取覆蓋保溫時，宜向外延伸0.5m～1.0m，以保證邊界溫度與內部溫度的差值過大。

(3)采用外徑φ32mm，壁厚2.0mm管冷，流量1.2m3/h，最大影響半徑為1.0m左右。

(4)采用的冷卻水與混凝土內部最高溫差數值宜控制在20℃～25℃。