不同季節下大體積混凝土溫度及應力研究

潘云富，馮 偉，施 勇，金鵬舉，宋東升，胡忠存

(1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中交海洋投資控股有限公司，海南 三亞 572019；3.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033)

0 引 言

大體積混凝土結構因抗壓強度高、耐久性好、施工方便，在水工、橋梁、基礎結構中應用廣泛，但其在施工及使用中受到外界環境、混凝土本身、施工工藝等的影響容易開裂[1]。為解決這一主要問題，20世紀以來許多學者參與大體積混凝土的研究，目前國內外對于大體積混凝土的研究進展迅速，在溫度裂縫控制方面也形成了較為全面的理論計算和施工方法，并在許多實際工程中加以應用。朱伯芳[2]經過多年對大體積混凝土的研究，形成了較為完整的理論分析體系與分析方法，為后期的許多實際工程應用提供了很大借鑒；Choi Won-Chang等[3]通過實驗篩選出理想的潛熱材料，評估使用PCM降低大體積混凝土水化熱的可行性，研究表明鋇基PCM具有良好的潛熱性能，有助于防止混凝土出現溫度裂縫。Ahad Muhammad Zeeshan等[4]也通過類似實驗證明摻粉煤灰混凝土水化熱和混凝土溫升峰值低；蔡文俊、趙佩穎、黃文廣等[5-7]研究了高溫炎熱季節下大體積混凝土的裂縫控制，提出了適合高溫天氣采用的施工方法以及養護措施，不僅加快混凝土的施工，而且成功防止裂縫出現；鄧旭、孫啟冀等[8,9]從混凝土施工和結構設計、保溫方法等方面研究了如何在低溫寒冷季節下避免大體積混凝土出現裂縫。

從過去對大體積混凝土影響因素的研究中發現，環境因素對混凝土的溫度變化影響很大，但在已有的研究中，環境因素對溫度的影響主要集中于在炎熱或者寒冷條件等單一因素作用下，而對于不同季節下的多種因素對混凝土聯合作用下的研究較少。為此，本文結合三亞市中交海南總部基地項目B地塊大體積混凝土筏板基礎施工資料，在其他條件相同的情況下，利用MIDAS FEA有限元軟件分別模擬三亞地區1月份、4月份、7月份、10月份四個季節的混凝土溫度變化，在不采取其他溫度控制措施的條件下，探究不同季節下大體積混凝土溫度場和溫度應力的變化規律，為該地區相關工程施工提供參考。

1 概 述

不同的季節對大體積混凝土溫度變化的影響因素有很多，如氣溫、風速、濕度、土壤溫度等[10]。為突出主要因素，本文從已有研究基礎中總結出不同季節主要從環境溫度、風速、澆筑溫度三個方面影響大體積混凝土的溫度變化，因此采用此三者為本次研究變量。澆筑溫度影響混凝土溫升初始值和溫升曲線最大值，并且澆筑溫度與混凝土水化速率成正比[11]，是混凝土溫度變化的起點；而環境溫度和風速對混凝土與周圍環境的熱交換速率有很大影響，能加大或減小混凝土的散熱速度。根據三亞市氣象資料，1月份、4月份、7月份、10月份分別代表春、夏、秋、冬四個季節，其地表平均溫度和平均風速見表1，不同季節的澆筑溫度需進一步計算確定。

表1 三亞氣象資料

本文以三亞市中交海南總部基地項目B地塊超高層筏板基礎工程為依托，研究不同季節下大體積混凝土溫度及溫度應力變化，該筏板主體厚3.0 m，局部電梯井最厚處為8.7 m，采用C40 P8抗滲混凝土一次澆筑施工，筏板基礎混凝土配合比見表2。為排除其他因素對計算結果產生誤差，各季節除環境溫度、風速、澆筑溫度不同外，其他現場施工條件均相同。

表2 筏板基礎混凝土配合比(kg/m3)

2 計算參數與有限元建模

2.1 變量取值

2.1.1 澆筑溫度

澆筑溫度是影響混凝土溫度時變過程中的一個重要因素，在工程分析中一般在現場用溫度計測量取值，而其作為本工程的變量用公式(1)進行理論計算：

TP=T1+(Ta+R/β-T1)(φ1+φ2)

(1)

式中：TP為澆筑溫度，℃；T1為材料存放溫度，℃；Ta為氣溫，℃；R為太陽輻射熱量；β為放熱系數；φ1、φ2為溫度變化系數。

由公式1可以看出，混凝土澆筑溫度大小主要與所處環境溫度這一因素有關，可粗略表示為澆筑溫度與環境溫度成正比。為簡化計算，同時保證混凝土冬季澆筑溫度不低于5 ℃，夏季不高于30 ℃[12]，本文混凝土澆筑溫度根據對應月份環境溫度取值，即1月份、4月份、7月份、10月份澆筑溫度分別為21.6 ℃、27 ℃、29 ℃、24 ℃。

2.1.2 放熱系數

放熱系數是指混凝土表面與空氣熱交換的快慢，其大小主要受風速影響，常可用公式(2)、(3)計算：

粗糙平面：β=23.9+14.50va

(2)

光滑平面：β=21.8+13.53va

(3)

式(2)(3)中，va表示風速，m/s；β為放熱系數，kJ/(m2·h·℃)。

混凝土表面為粗糙平面，根據上述已知的各月份風速，利用公式(3)計算可得1月份、4月份、7月份、10月份的混凝土放熱系數分別為63.05、57.25、55.80、64.50 kJ/(m2·h·℃)。

2.1.3 環境溫度

環境溫度直接根據武漢地區月平均氣溫取值，計算時假定環境溫度為常量，1月份、4月份、7月份、10月份的環境溫度分別為21.6、27、29、24 ℃。

2.2 主要計算參數

本文主要研究不同季節下的環境溫度、風速、澆筑溫度對混凝土溫度場的影響，其余計算參數根據現場實測數據與理論計算取值，1月份、4月份、7月份、10月份其余計算參數取值相同。利用MIDAS FEA有限元軟件分析混凝土溫度場時，主要計算參數見表3，邊緣支撐、對接條件等混凝土和地基的邊界條件均按實際情況設置。

表3 主要計算參數

2.3 有限元模型

參數設置完畢后，定義施工階段以及分析工況，即可完成建模，基礎的仿真實體模型計算澆筑后400 h內的溫度變化及應力發展，以A點(7.8 m厚)為參考點，分析其表面、中部、底部位置溫度場及溫度應力在不同季節下的變化情況，如圖1所示。

圖1 基礎模型圖

3 溫度場分析

有限元軟件計算完成后，筏板基礎A測點表面、中心、底部位置在各季節的溫度場以及A測點附近內外溫差如圖2所示。

由圖2可以看出，各季節在表面、中心、底部位置的溫度曲線符合大體積混凝土溫度變化特征且曲線變化趨勢大致相同。1月份、4月份、7月份、10月份的表面對流系數相差不多，因此混凝土放熱速度變化不大。各季節混凝土內外溫差曲線相似，溫差峰值分別為48.0、48.96、48.81、49.63 ℃。本研究中，氣溫與澆筑溫度基本相同且混凝土未采取表面保溫措施，各季節混凝土表面放熱快，溫度曲線較平緩，而混凝土導熱性差，內部散熱慢、溫度高，不采取表面保溫會增大混凝土的內外溫差，側面驗證了大體積混凝土表面保溫的重要性；底部混凝土降溫最慢，在整個降溫階段的降溫速度變化不大。各季節混凝土內部最高溫度分別為75.06、80.46、82.46、77.46 ℃，降溫階段表現為前期溫度下降較快，后期表里溫差越小，內部降溫越慢；混凝土內部最高溫度與澆筑溫度成正比，澆筑溫度越高，溫度峰值越大，7月份混凝土最高溫度比1月份高約7.5 ℃。溫度場分析結果表明，三亞地區全年平均溫度均較高，冬季的環境溫度、對流系數、入模溫度對大體積混凝土的溫度控制更有利，大體積混凝土的澆筑施工可選擇在冬季進行。

圖2 各季節溫度場和內外溫差

4 溫度應力分析

上述A測點溫度場對應的混凝土表面、中心、底部位置的溫度應力如圖3所示。

圖3 各季節溫度應力與允許應力

相同季節內混凝土表面、中心、底部位置的允許應力不同，且相同位置不同季節的允許應力也不同，但差別不大，總體表現為相同季節中心允許應力增長最快，表面允許應力增長最慢；不同季節下，夏季允許應力增長最快，冬季最慢，最終逐漸趨于一致。各季節表面應力變化曲線相似，但相同時間對應的應力值不同，即使各季節內外溫差基本相同，然而不同季節溫度應力極值相差很大，1月份、4月份、7月份、10月份的拉應力極值均出現在表面位置，分別為2.62、3.18、4.35、3.56 N/mm2。且夏季在混凝土澆筑后16～112 h內溫度應力超過允許應力，冬季在混凝土澆筑后20～88 h內溫度應力超過允許應力，夏季更容易在混凝土表面位置出現裂縫。各季節中心位置均表現為澆筑后一段時間內受壓，隨著溫度應力的增大，中心位置開始受拉并在110 h左右達到峰值；伴隨著混凝土的降溫，溫度應力逐漸減小，各季節中心應力基本都低于允許應力，混凝土開裂可能較小；各季節底部位置基本處于受壓狀態，一般不會出現裂縫。綜上可見，不同季節澆筑的大體積混凝土表面位置容易開裂，應及時采取保溫防裂措施；混凝土在夏季澆筑時溫度應力最大，也最容易開裂，冬季澆筑的大體積混凝土溫度應力最較小，開裂概率相對較低，因此三亞地區可選擇在冬季澆筑大體積混凝土。

5 結 論

(1)各季節溫度曲線變化趨勢大致相同，混凝土各位置溫度在夏季最高，在冬季最低。在未采取其他溫控措施的情況下，各季節表面散熱都很快，溫度下降大致呈一條平直線；底部位置降溫最慢，且降溫速度變化不大；冬季施工時，大體積混凝土筏板基礎的溫度峰值、溫差較小，有利于混凝土的溫度控制。

(2)相同季節內混凝土不同位置的允許應力不同，且相同位置不同季節的允許應力也不同，但差別不大，且隨著時間的增長逐漸趨于一致。

(3)各季節混凝土內外溫差大致相同，但與之對應的溫度應力大小差別較大，夏季時溫度應力最高，冬季最低。在不采取保溫措施的情況下，各季節表面位置易出現裂縫；此外，與其他季節相比，夏季澆筑的大體積混凝土更易開裂，冬季澆筑的大體積混凝土開裂概率相對較低。