拉各斯航站樓獨(dú)立基礎(chǔ)大體積水化熱控制研究

李茂達(dá)

摘要：基于拉各斯航站樓項(xiàng)目，通過數(shù)值模擬手段建立大體積獨(dú)立基礎(chǔ)模型，分析混凝土澆筑溫度、養(yǎng)護(hù)條件以及粉煤灰摻量對(duì)其溫度場(chǎng)的影響。研究結(jié)果表明，為了有效控制基礎(chǔ)混凝土中心溫度，粉煤灰摻量范圍應(yīng)為30%～50%。通過設(shè)置XPS板保溫措施能夠有效降低混凝土表面拉應(yīng)力和內(nèi)外溫差，避免產(chǎn)生溫差裂縫。提高澆筑溫度會(huì)明顯增大基礎(chǔ)混凝土中心溫度，但在澆筑溫度超過25℃后，基礎(chǔ)溫度受澆筑溫度提高的影響較小。不同養(yǎng)護(hù)條件下的前期中心升溫速度基本一致，且各養(yǎng)護(hù)條件的中心溫度最大值相差較小，但當(dāng)溫度下降時(shí)不同養(yǎng)護(hù)條件下的溫降速度差別較大。

關(guān)鍵詞：大體積基礎(chǔ)；水化熱；數(shù)值模擬；澆筑溫度；溫差裂縫

0? ?引言

在混凝土施工過程中，因?yàn)樗嗨磻?yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，使得混凝土內(nèi)部溫度迅速提高，進(jìn)而引發(fā)一系列問題，如裂縫、強(qiáng)度降低等，因此對(duì)基礎(chǔ)大體積混凝土水化熱的有效控制顯得尤為重要，這也是當(dāng)前眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)[1-2]。

付婷婷等[3]以某商業(yè)筏板基礎(chǔ)工程為例，計(jì)算了工程中大體積混凝土的溫度，并提出了相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)方案。胡桂海[4]借助有限元軟件，通過數(shù)值模擬的方式對(duì)大體積混凝土澆筑施工過程里的溫度變化進(jìn)行了模擬，并提出大體積混凝土溫度控制方案。陳聰?shù)萚5]結(jié)合工程特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的大體積混凝土溫度裂縫控制方案。

本文基于尼日利亞拉各斯航站樓項(xiàng)目，通過數(shù)值模擬手段建立大體積獨(dú)立基礎(chǔ)模型，分析了混凝土的澆筑溫度、養(yǎng)護(hù)條件以及粉煤灰摻量對(duì)其溫度場(chǎng)的影響。

1? ?項(xiàng)目概況

拉各斯機(jī)場(chǎng)航站樓項(xiàng)目建筑面積49000m2左右，建筑高度為28.325m，共4層，其中一層主要用于行李處理、辦公室、設(shè)備間；二層主要用于進(jìn)港、行李提取、海關(guān)、銀行等；三層主要用于售票、值機(jī)、離港、免稅店；四層主要為酒店。

獨(dú)立基礎(chǔ)為航站樓基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為其主體結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)為其屋蓋結(jié)構(gòu)形式。地基場(chǎng)地類別Ⅲ類，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)乙級(jí)，厚度為50mm。對(duì)于其獨(dú)立基礎(chǔ)的施工，難點(diǎn)在于大體積混凝土澆筑質(zhì)量和裂縫控制，基礎(chǔ)所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。

2? ?基礎(chǔ)澆筑過程的模擬

2.1? ?參數(shù)選擇

結(jié)合拉各斯當(dāng)?shù)貧鉁貋磉x擇基礎(chǔ)大體積混凝土溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的各項(xiàng)材料參數(shù)，具體見表1。空氣和混凝土對(duì)流系數(shù)取49.347W/（m2·K），鋼模板對(duì)流系數(shù)取48.187W/（m2·K），空氣與地基對(duì)流系數(shù)取52.944W/（m2·K）。

2.2? ?建立基礎(chǔ)模型

工程中所用大體積柱下獨(dú)立基礎(chǔ)大小為8m×8m×3m。根據(jù)上述相關(guān)參數(shù)建立有限元模型，并且設(shè)置厚度為1m的土基來對(duì)基礎(chǔ)底部的傳熱過程進(jìn)行模擬。模型共有10480個(gè)單元和12630個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型下部為地基，上部為基礎(chǔ)。

3? ?影響溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力因素分析

導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫的主要原因是溫度應(yīng)力作用在混凝土表面，使其產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于自身的極限抗拉強(qiáng)度，從而出現(xiàn)裂縫。混凝土的澆筑溫度、養(yǎng)護(hù)條件、混凝土配合比等都會(huì)對(duì)其溫度場(chǎng)變化造成影響。與此同時(shí)，混凝土是否會(huì)形成溫度裂縫，主要通過其表面拉應(yīng)力、內(nèi)表溫差和中心溫度峰值來進(jìn)行判斷。

所以根據(jù)已建立的有限元模型，將基礎(chǔ)頂部中心部位的拉應(yīng)力、內(nèi)表溫差以及基礎(chǔ)中心溫度，作為指標(biāo)來分析混凝土澆筑溫度、養(yǎng)護(hù)條件、混凝土配合比對(duì)大體積基礎(chǔ)的影響。

3.1? ?粉煤灰摻量的影響

不采取保溫措施，并設(shè)置澆筑溫度為20℃，參考配合比對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，分別模擬30%、40%、50%、60%這4種粉煤灰摻量下混凝土基礎(chǔ)的溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)，各粉煤灰摻量下基礎(chǔ)中心溫度變化趨勢(shì)、內(nèi)表溫差變化趨勢(shì)和表面拉應(yīng)力變化趨勢(shì)分別如圖1、圖2和圖3所示。

綜合分析圖1至圖3能夠看出，基礎(chǔ)中心最高溫度在粉煤灰摻量為30%時(shí)的值為67℃，當(dāng)粉煤灰摻量增大到60%時(shí)，基礎(chǔ)中心最高溫度減小到55.54℃。內(nèi)表溫差在粉煤灰摻量為30%時(shí)的值為39.14℃，當(dāng)粉煤灰摻量增大到60%時(shí)，內(nèi)表溫差減小到28.93℃。表面最大拉應(yīng)力在粉煤灰摻量為30%時(shí)的值為4.75MPa，當(dāng)粉煤灰摻量增大到60%時(shí)，表面最大拉應(yīng)力減小到3.47MPa。據(jù)此能夠看出隨著粉煤灰摻量的增加，3項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)。

同時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)中心溫度在粉煤灰摻量范圍處于30%～50%之間時(shí)變化較為明顯，而溫度變化幅度在粉煤灰摻量超過50%時(shí)逐漸減小，所以為了有效控制基礎(chǔ)混凝土中心溫度，粉煤灰摻量范圍應(yīng)為30%～50%。在理論上，主要由于粉煤灰的火山灰反應(yīng)較遲鈍，在初始水化反應(yīng)階段釋放出的熱量較少，所以在混凝土中加入粉煤灰能夠顯著減小混凝土的水化熱，避免混凝土表面產(chǎn)生溫度裂縫。

3.2? ?混凝土養(yǎng)護(hù)條件的影響

在澆筑溫度為20℃、粉煤灰含量為30%時(shí)，分別對(duì)進(jìn)行3cmXPS板保溫、2cm土工布保溫和裸露養(yǎng)護(hù)3種保溫措施下基礎(chǔ)溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì)進(jìn)行模擬，模擬時(shí)通過改變對(duì)流系數(shù)來滿足不同的保溫工況。在各保溫條件下，基礎(chǔ)中心溫度變化趨勢(shì)、內(nèi)表溫差變化趨勢(shì)和表面拉應(yīng)力變化趨勢(shì)分別如圖4、圖5和圖6所示。

綜合分析圖5至圖7能夠看出，3種養(yǎng)護(hù)條件下的前期中心升溫曲線基本重合，中心溫度最大值范圍為67.43～69.29℃，三者相差較小。但當(dāng)溫度下降時(shí)，3種養(yǎng)護(hù)條件下的溫降速度差別較大，降溫速度最大的是表面裸露養(yǎng)護(hù)條件，達(dá)到1.85℃/h；降溫速度最小的是XPS板保溫，達(dá)到1.05℃/h。

同時(shí)能夠看出，表面拉應(yīng)力和內(nèi)表溫差變化較為明顯，5.09MPa和39.86℃分別為裸露養(yǎng)護(hù)時(shí)的最大拉應(yīng)力和最大內(nèi)表溫差。與其相比，XPS板保溫和土工布保溫時(shí)的表面最大拉應(yīng)力分別減小2.37MPa和2.01MPa，最大內(nèi)表溫差分別減小19.62℃和15.12℃，但裸露養(yǎng)護(hù)下基礎(chǔ)的內(nèi)表溫差在澆筑時(shí)間超過180h后，反而小于另外兩種保溫條件下的值。

由此能夠得出，通過設(shè)置合理的外保溫措施，能夠在一定程度上減小基礎(chǔ)混凝土表面拉應(yīng)力和內(nèi)外溫差，有助于控制混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。但要注意的是，要對(duì)保溫時(shí)間進(jìn)行合理地控制，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差將要到達(dá)臨界值時(shí)撤去外保溫措施，提高基礎(chǔ)內(nèi)外溫度的降低速度。

3.3? ?混凝土澆筑溫度的影響

不進(jìn)行外保溫措施，將混凝土粉煤灰含量設(shè)置為30%時(shí)，對(duì)模型的初始溫度進(jìn)行調(diào)整，分別對(duì)澆筑溫度在35℃、30℃、25℃、20℃和15℃時(shí)基礎(chǔ)的溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)進(jìn)行模擬，各溫度下基礎(chǔ)中心溫度變化趨勢(shì)、內(nèi)表溫差變化趨勢(shì)和表面拉應(yīng)力變化趨勢(shì)分別如圖7、圖8和圖9所示。

綜合分析圖7至圖9，能夠看出，當(dāng)提高澆筑溫度時(shí)，基礎(chǔ)中心溫度、內(nèi)表溫差和表面拉應(yīng)力均有所提高，基礎(chǔ)中心最高溫度在澆筑溫度為15℃時(shí)的值為59.32℃，在澆筑溫度提高至25℃時(shí)為66.09℃，增大了6.77℃；而中心最高溫度在澆筑溫度從25℃升增大至35℃時(shí)僅提高了2.12℃。

這表明澆筑溫度的增大，會(huì)在一定程度上提高混凝土中心溫度。但在澆筑溫度超過25℃后，基礎(chǔ)溫度受澆筑溫度提高的影響較小，并且基礎(chǔ)前期溫度增大速度會(huì)隨著澆筑溫度的增大而增大。

觀察基礎(chǔ)內(nèi)表溫差變化趨勢(shì)和表面拉應(yīng)力變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)同樣存在此現(xiàn)象。在澆筑溫度15℃提高到35℃時(shí)，內(nèi)表溫差和中心溫度最大值提前了40h，表面拉應(yīng)力最大值增大了0.32MPa，內(nèi)表溫差最大值從30.79℃增大至38.61℃。

通過上述分析可知，在高溫度地區(qū)，為了有效控制基礎(chǔ)混凝土中心溫度，粉煤灰摻量應(yīng)設(shè)置在30%～50%之間。同時(shí)可通過設(shè)置XPS板保溫措施，來降低基礎(chǔ)混凝土表面拉應(yīng)力和內(nèi)外溫差，避免產(chǎn)生溫差裂縫，但要注意合理控制保溫時(shí)間。

4? ?結(jié)束語

本文以拉各斯航站樓項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過有限元軟件建立大體積獨(dú)立基礎(chǔ)模型，分析了不同因素對(duì)其中心溫度、內(nèi)表溫差、表面拉應(yīng)力的影響，主要得出以下結(jié)論：

基礎(chǔ)中心溫度在粉煤灰摻量范圍處于30%～50%之間時(shí)變化較為明顯，而溫度變化幅度在粉煤灰摻量超過50%時(shí)逐漸減小，所以為了有效控制基礎(chǔ)混凝土中心溫度，粉煤灰摻量范圍應(yīng)為30%～50%。

通過設(shè)置XPS板保溫措施能夠在一定程度上減小基礎(chǔ)混凝土表面拉應(yīng)力和內(nèi)外溫差，有助于控制混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。但要注意的是，要對(duì)保溫時(shí)間進(jìn)行合理地控制，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差將要到達(dá)臨界值時(shí)，應(yīng)撤去外保溫措施，提高基礎(chǔ)內(nèi)外溫度的降低速度。

當(dāng)提高澆筑溫度時(shí)，基礎(chǔ)中心溫度、內(nèi)表溫差和表面拉應(yīng)力均有所提高，但在澆筑溫度超過25℃后，基礎(chǔ)溫度受澆筑溫度提高的影響較小。

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