大體積混凝土早期溫度應力有限元數值模擬研究

陳東 魏天酬 吳鑫 關素敏

（四川華西綠舍建材有限公司）

0 引言

大體積混凝土由于構件尺寸大、導熱性差，水泥水化過程中產生的大量熱量不容易散發，導致內部溫度不斷上升。而混凝土表面由于與空氣接觸散熱較快，產生的內外溫差會導致結構表面產生拉應力[1]。而早期混凝土強度沒有充分發展，抗拉強度較低，當拉應力大于結構抗拉強度時就會導致溫度裂縫生成，這種裂縫很容易進一步擴展為深層裂縫，甚至是貫穿裂縫，對結構危害較大，影響其耐久性和可使用性[2]。因此本研究利用有限元數值模擬對某承臺大體積混凝土結構進行早期溫度應力分析，探討澆筑溫度、環境溫度、保溫材料等因素對混凝土表面溫度應力的影響，并采用模擬計算對比了施工過程中鋪設循環水冷卻管控溫的效果，為溫度裂縫的控制措施提供參考。

1 承臺三維有限元模型

該承臺采用C30 混凝土澆筑，設計尺寸為11.2m×8m×3.6m，地基視為無限大物體，建立模型時地基長和寬取承臺的1.5 倍，尺寸為16.8m×12m×2.4m，基于結構雙軸對稱性原則，建立承臺與地基1/4 三維有限元模型，邊界條件為承臺與地基良好接觸，底部固定約束，側面及頂部與四周空氣發生熱交換對流[3]，模型劃分網格后如圖1 所示。

圖1 承臺和地基1/4 結構有限元模型圖

承臺與地基模型計算參數如表1 所示[4]。

表1 模型計算參數

2 溫度應力影響因素分析

混凝土表面裂縫是由內外溫差產生的表面拉應力引起的。當混凝土配合比和原材料物理參數一定的情況下，影響混凝土結構早期表面拉應力的因素有澆筑溫度、環境溫度、保溫材料等，關于保溫材料分別模擬草袋養護、塑料薄膜養護和無保溫材料裸露養護三種情況，對應的保溫對流系數為4.2W/m2·k、5.25W/m2·k、6W/m2·k。對以上三個影響因素分別做單因素模擬計算，以此判斷每個因素對混凝土表面拉應力的影響程度。單因素模擬計算分組如表2 所示。

表2 單因素模擬計算分組

2.1 澆筑溫度

在環境溫度、保溫材料對流系數以及其他計算參數不變的情況下，對比澆筑溫度分別為10℃、20℃、30℃時，承臺大體積混凝土結構同一開裂關鍵點的拉應力發展曲線變化情況，模型計算結果如圖2。

由圖2 可見，隨著澆筑溫度的升高，承臺混凝土結構表面拉應力峰值明顯上升，在10～30℃之間，澆筑溫度每升高10℃則表面拉應力峰值增加0.7×106N/m2左右，且早期拉應力增長速度隨澆筑溫度升高而加快，分析其原因為澆筑時初始溫度的升高使早期水泥水化速率加快，因此導致最大溫差和拉應力峰值的來臨時間提前[5]。

圖2 不同澆筑溫度時表面拉應力發展曲線圖

2.2 環境溫度

在澆筑溫度、保溫材料對流系數以及其他計算參數不變的情況下，對比環境溫度分別為10℃、20℃、30℃時，承臺大體積混凝土結構同一開裂關鍵點的拉應力發展曲線變化情況，模型計算結果如圖3。

由圖3 可見，在10～30℃之間隨著環境溫度的升高，承臺混凝土結構表面拉應力峰值逐漸降低，但相較于澆筑溫度對拉應力峰值的影響較小，環境溫度每升高10℃，表面拉應力峰值降低0.3×106N/m2左右。外部環境溫度的升高會導致中心溫度略有上升，但會使得結構表面降溫速率明顯降低，因此使得內外溫差和表面拉應力減小。

圖3 不同環境溫度時表面拉應力發展曲線圖

2.3 保溫材料

在環境溫度、澆筑溫度以及其他計算參數不變的情況下，對比草袋養護、塑料薄膜養護和無保溫材料裸露養護三種情況下，承臺大體積混凝土結構同一開裂關鍵點的拉應力發展曲線變化情況，計算結果如圖4。

由圖4 可見，采用草袋、塑料薄膜等保溫養護方式可明顯降低承臺混凝土結構表面拉應力峰值，并減緩拉應力的增長速率，推遲拉應力峰值的來臨時間，有利于結構安全性和裂縫控制。但裸露養護條件下應力釋放更快，大約在14d 之后裸露養護條件下的結構表面拉應力逐漸低于草袋、塑料薄膜兩種保溫養護方式，因此在大體積混凝土結構養護過程中應該合理控制保溫養護時間，在混凝土結構達到一定強度后應拆除保溫養護層，使表面拉應力盡快釋放。

圖4 不同養護條件時表面拉應力發展曲線圖

3 裂縫控制措施

綜合上述分析結果可知，在混凝土配合比不變的情況下，可以在施工過程中調控各種因素，以達到控制大體積混凝土結構早期表面拉應力，防止結構裂縫產生的效果。例如降低澆筑溫度可以減緩早期水泥水化速率，明顯減小大體積混凝土結構表面拉應力峰值，降低拉應力增長速度，使結構自身強度得到更充足的發展時間，降低開裂風險。在澆筑完成后采用保溫材料養護可以降低大體積混凝土結構表面熱交換對流系數，使表面放熱速率降低，減小結構表里溫差以及表面拉應力，以達到控制開裂風險的效果，但應注意合理控制保溫養護時間。

除此以外，為進一步降低開裂風險，工程中經常采用鋪設循環水冷卻管的方式降低結構內部溫度[6]，本研究采用表2 中1 組1-2 的計算參數，在以上模型基礎上增加上下兩層冷卻水管模擬計算，如圖5 所示。其中冷卻水管直徑27mm，冷卻水入口溫度為15℃，流量1.2m3/h。

圖5 鋪設循環冷卻水管模型圖

冷卻水管模型計算結果如圖6 所示。循環冷卻水可使大體積混凝土結構內部溫度大幅度下降，因此結構表面拉應力峰值明顯降低。而兩種情況下前期應力增長速率基本保持一致，說明降低表面拉應力的主要手段是減小表里溫差。前期水泥水化放熱階段冷卻水管對表里溫差影響不大，進入降溫階段后冷卻水管可提高結構內部降溫速率，達到降低表里溫差和表面拉應力的效果[7]。

圖6 水管冷卻表面拉應力發展曲線對比圖

4 結論

針對大體積承臺混凝土結構的澆筑溫度、環境溫度、保溫養護條件等原材料以外的表面拉應力影響因素以及循環冷卻水降溫方式做了有限元模擬計算研究，得出以下結論：

⑴表面拉應力隨澆筑溫度的升高而增大，隨環境溫度的升高而減小，相較之下澆筑溫度比環境溫度對表面拉應力的影響更大；

⑵采用保溫材料養護方式可以明顯降低表面拉應力峰值，降低早期拉應力的增長速率，但會影響后期表面應力釋放，因此需要合理控制保溫材料養護時間；

⑶鋪設冷卻水管時，采用合理的鋪設方式和水管間距可以達到良好的降溫效果，減小內外溫差且降低表面拉應力。

采用有限元數值模擬計算得到的大體積混凝土結構溫度應力數據并不一定能完全吻合實際工程中的應力值，但得到的各個因素的影響變化規律可以用來指導施工及養護方案的制定。實際施工過程中可以將多種措施結合使用，以達到防止早期表面裂縫產生的效果。