夏季臺風作用下大體積混凝土溫度場演變規律仿真研究

許 杪

（常州大學城市建設學院，江蘇 常州 213164）

大體積混凝土澆筑產生大量的水化熱，使混凝土溫度升高。不同位置的混凝土由于散熱不均勻，產生溫度梯度，溫度梯度增大到一定程度時會導致溫度應力產生，從而破壞混凝土，出現裂縫，影響結構安全，因此溫度場演變規律是大體積混凝土的研究熱點。夏雄等[1]根據現場監測數據總結出筏板基礎大體積混凝土溫度場變化的時空規律。韓宇聰等[2]對地鐵車站大體積混凝土溫度場進行監測，結合數值模擬手段，對車站不同位置處的溫度場、應力場進行分析。人工智能的興起為混凝土溫度場的研究提供了新的方法，Liu Y 等[3]在大量數據的基礎上通過神經網絡模型對混凝土養護期間的溫度場進行了預測。夏季是臺風高發季，臺風經過的地方會帶來大量雨水并造成溫度驟降，對混凝土的養護產生不利影響。該文通過數值模擬對臺風出現不同時刻下的大體積混凝土溫度場進行研究，對臺風出現時不同溫控措施的效果進行驗證，為夏季臺風過境下大體積混凝土的養護措施提供理論基礎和工程建議。

1 工程概況

1.1 工程背景

該項目為南京某研創園工程，總建筑面積30.7 萬m2，其中地上建筑面積約18.2 萬m2，地下建筑面積約12.5 萬m2。1-A#塔樓為綜合辦公樓，建筑高度為78.4m，其筏板基礎板厚度為2m，長為18m，寬為17m，采用C35 混凝土澆筑，水泥牌號為P.O52.5，抗滲等級為P8。混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

1.2 測點布置

大體積混凝土的測點在水平方向上由中心向邊緣處布置，測點的水平間距為2000mm，在垂直方向上間隔500mm布置溫度測點，每個測點在垂直方向上共3 個測溫布置點。

2 數值模擬驗證

2.1 基本假定

相關學者[4-7]通過數值模擬對大體積混凝土澆筑的入模溫度、澆筑方式、保溫層厚度等因素進行研究，提出了合理假設，取得了明顯收效。由于影響高層建筑基礎大體積混凝土開裂的因素很多，因此該文在實際計算中進行以下假定[8]：1）假定混凝土為均質的各向同性材料，溫度場范圍內材料的特性不隨溫度的變化而發生改變。2）熱源的放熱率是時間的函數，而與空間變量無關。3）將基礎看成一個整體，不考慮其施工過程中的分層、非連續澆搗以及鋼筋的傳熱等因素。

2.2 計算理論

混凝土溫度計算采用《大體積混凝土施工規范》（GB 50496—2018）給出的絕熱溫升的計算式[9]，如公式（1）所示。

式中：T（t）為混凝土齡期為t時的絕熱溫升，℃；W為每立方米混凝土的膠凝材料用量，kg/m3；C為混凝土的比熱容，可取0.92kJ（/ kg·℃）～1.0kJ（/ kg·℃）；ρ為混凝土的質量密度，取2400kg/m3～2500 kg/m3；m為與水泥品種、用量和入模溫度等有關的單方膠凝材料對應系數；t為混凝土齡期，d。

2.3 邊界條件

混凝土底部鋪有防水卷材，防水卷材下部有薄墊層以及土壤，由于防水卷材和墊層很薄，因此將防水卷材和墊層設置成薄板與下部土壤換熱。混凝土四周為磚模，將模板設置成薄板與土壤換熱。混凝土頂部鋪有塑料薄膜，將塑料薄膜設置成薄板與大氣水平對流換熱。

2.4 模擬參數取值

根據測溫單元的檢測結果，可以對混凝土的土壤溫度和入模溫度進行合理取值，同時對混凝土周邊環境溫度的取值根據一天中的最高和最低溫度設計正弦函數：，t 為時間，h。該工程項目位于江蘇省，因此設計臺風持續影響24h。對比江蘇省歷年臺風過境前后均溫的變化，取空氣溫度降低6℃，臺風過后環境溫度與臺風來臨之前一致，臺風影響過程中保溫層表面環境相對濕度為0.98。考慮筏板基礎位于地面以下，風力減弱，以5 級風設計，保溫層表面為強制對流，平均風速設計為8m/s。

2.5 模型的研究

圖1 為測點4 頂部實測溫度與模擬溫度變化曲線，由圖1 可見，測點4 頂部的溫度模擬值與實測值都表現為先增加后降低的趨勢，最后逐漸趨于平緩，最高溫度都出現在混凝土澆筑后70h 附近處。對比模擬值與實測值，頂部最高溫度相差5.1%，由于模擬時采用了相關假定，數值計算結果與實測結果變化趨勢一致，數值基本吻合。

圖1 測點4 頂部溫度實測值與模擬值對比

3 臺風對大體積混凝土溫度場的影響

3.1 臺風出現時刻對溫度場的影響

通過數值模擬，對臺風出現在大體積混凝土澆筑完成后進行養護的第三天、第五天、第八天、第十二天、第十五天以及不出現臺風的情況，分析不同測點處溫度與時間的關系。圖2 為臺風出現不同時刻5 號測點頂部溫度變化曲線，從圖2 中可以看出，當臺風出現時，混凝土頂部溫度急劇下降，臺風出現4h 后，下降幅度減緩。臺風結束后，混凝土頂部溫度開始升高，并逐漸與外部環境達到動態平衡。圖3 為臺風出現不同時間溫差變化曲線，由圖中可知，臺風的出現會使溫差顯著增加，臺風在混凝土澆筑后出現的越早，溫差越大。

圖2 臺風出現不同時間5 號測點頂部溫度變化曲線

圖3（a）中臺風出現在混凝土澆筑完成后養護的第三天、第五天、第八天、第十二天、第十五天時，其最大溫差分別為35.61℃、33.9℃、28.73℃、22.53℃、18.9℃。但是并非在臺風結束后混凝土的最大溫差就在標準范圍內，而是在混凝土頂部升溫的過程中，最大溫差依然會出現高于25℃的情況，而臺風出現得越晚，該現象越不明顯，在養護14 天后出現臺風對溫度場的影響在安全范圍內。混凝土不同部位的最大溫差也不一樣，對比圖3（a）與圖3（b），混凝土水平方向中心處的最大溫差大于混凝土邊緣處的最大溫差。在混凝土澆筑十二天后，混凝土邊緣處的最大溫差為22.53℃，小于25℃；混凝土水平方向中心處的最大溫差為25.46℃，大于25℃。由此可知，當臺風過境時，對混凝土水平方向中心處頂部的溫度監測應適當加強，臺風在混凝土澆筑后出現得越晚，對混凝土的養護越有利。

圖3 臺風出現不同時間不同測點溫差變化曲線

3.2 臺風風速對溫度場的影響

混凝土表面的風會加快混凝土與外界的換熱，對混凝土澆筑后不同風速作用下1 號測點溫差變化進行模擬，結果表明，最大溫差隨風速增加而變大，當風速分別為6m/s、8m/s、10m/s 時，其最大溫差分別為34.57℃、35.56℃、36.23℃，均超過25℃，且與風速不呈線性關系。由上述分析可知，臺風對混凝土最大溫差的影響比較明顯，超出了規范允許值25℃，因此需要對臺風天大體積混凝土的保溫措施和效果應進行研究。

4 混凝土保護層厚度對溫度場的影響

對不同保溫層厚度作用下的1 號測點溫度場變化規律進行數值模擬研究，結果表明，保溫層厚度從0.3mm 增至2cm，對最高溫度的影響不大，極值點處降低的數值僅有1.4℃，最大變化不超過1℃，最高溫度維持在約60℃。保溫層厚度增加對混凝土表面的最低溫度影響較大，當保溫層厚度分別為0.3cm、0.5cm、1.0cm、2.0cm 時，其最低溫度分別為24.44℃、27.02℃、29.77℃、34.25℃，增加幅度達到40.2%，在24h 內尤為顯著，說明混凝土保護層厚度越厚，混凝土表面溫度越高，保溫層對溫度控制的作用表現得極為顯著。

5 結論

為研究夏季臺風作用下大體積混凝土溫度場演變規律，利用監測數據對比驗證了數值仿真的可靠性，通過數值模擬對臺風出現不同時刻和不同風速條件下的大體積混凝土溫度場進行仿真研究，主要結論如下：1）臺風的出現對混凝土的表面溫度影響顯著。臺風在混凝土澆筑完成后出現得越早，混凝土內部的溫差越大。臺風在澆筑后第3 天出現最大溫差比第15 天出現的最大溫差大16.71℃。2）風速增加會增大混凝土的最大溫差，當風速從6m/s 增至10m/s 時，混凝土最大溫差增大1.66℃，但最大溫差與風速增加值不呈線性關系。3）增加混凝土表面的保溫層厚度可以降低臺風對溫度場的影響，保溫層厚度從0.3mm 增至2cm，1 號測點混凝土表面溫度由24.44℃增至34.25℃，增加幅度為40.1%。