地鐵車站側(cè)墻大體積混凝土施工養(yǎng)護(hù)測溫實驗與數(shù)值模擬

摘"要"通過預(yù)埋溫度傳感器的方式，對深圳市某地鐵車站的兩面?zhèn)葔M(jìn)行溫度監(jiān)測，同時監(jiān)測環(huán)境溫度變化，分析地鐵車站側(cè)墻大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部由水化熱引起的溫度升降變化特征，進(jìn)一步分析混凝土內(nèi)部與表面、表面與環(huán)境、降溫速率等現(xiàn)象，得出混凝土溫度變化規(guī)律。利用ABAQUS有限元軟件對主要的溫度變化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，建立側(cè)墻的三維應(yīng)力場-溫度場耦合模型，與試驗數(shù)據(jù)對比驗證其可靠性，對混凝土應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，驗證溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原理，并且對地鐵側(cè)墻應(yīng)力易集中處做出預(yù)測，提出防止裂縫的相關(guān)措施。

關(guān)鍵詞"大體積混凝土，"溫度變化，"模型計算，"地鐵車站

Temperature Measurement Experiment and Numerical Simulation of Large-Volume Concretes During Their Construction and Maintenance on Side Walls of Subway Station

CHEN Hui^1，3"ZHANG Yingshuo^2，*"ZHANG Fengliang²"CHENG Chuo^1，3WANG Wenxu^1，3"ZHANG Xinqiang⁴

（1.China Construction First Bureau （Group）"Co.，"Ltd.，"Beijing 100071，"China；"2.School of Civil and Environmental Engineering Harbin Institute of Technology （Shenzhen），"Shenzhen 518055，"China；"3.China Construction First Bureau Group South China Construction Co.，"Ltd.，"Shenzhen 518000，"China；"4.China Construction Southern Investment Co.，"Ltd.，"Shenzhen 518000，"China）

Abstract"In this work the temperature of two side walls of a subway station under construction in Shenzhen was monitored，"and then the temperature fluctuation characteristics caused by the heat of hydration in the large-volume concrete structure of the side wall of the subway station were analyzed. Then the phenomenon of concrete interior and surface，"surface and environment，"cooling rate and other phenomena was further analyzed，"and the temperature change law of concrete was obtained. ABAQUS finite element software is used to simulate the whole temperature change process. A three-dimensional stress field-temperature field coupling model of the side wall was established，"and the result was compared with the experiment data to verify its reliability. The stress state of concrete was analyzed，"the principle of temperature stress was verified，"the stress concentration of the subway side wall was predicted，"and relevant measures to prevent cracks was proposed.

Keywords"large-volume concrete，"temperature changes，"model calculation，"metro stations

0"引"言

隨著城市人口的增多，城市面臨的地上交通壓力越來越大，地鐵這一地下交通方式的出現(xiàn)有效緩解了這種壓力。但是地鐵的修建成本昂貴，對工程技術(shù)的要求較高，并且大體積混凝土的裂縫問題一直沒有得到很好的解決，導(dǎo)致后期的維護(hù)成本一直處于較高水平。

混凝土早期由于水化熱產(chǎn)生不均勻溫度場，導(dǎo)致混凝土不同區(qū)域產(chǎn)生不均勻變形，因為混凝土不同區(qū)域之間的彼此約束和混凝土邊界約束，混凝土的變形不能自由釋放，由此產(chǎn)生的應(yīng)力叫作混凝土的早期溫度應(yīng)力。對于一個宏觀的混凝土構(gòu)件，其早期溫度應(yīng)力大體分為兩類：內(nèi)部約束溫度應(yīng)力和外部約束溫度應(yīng)力。內(nèi)部約束溫度應(yīng)力是因為混凝土溫度分布的不均勻、自身內(nèi)外不同區(qū)域變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的約束壓力；外部約束溫度應(yīng)力是新澆筑混凝土邊界因受已澆筑的混凝土或地基的約束而不能發(fā)生邊界自由伸縮而產(chǎn)生的混凝土應(yīng)力^［1］。

當(dāng)早期溫度應(yīng)力大于當(dāng)時混凝土的抗拉強(qiáng)度時，混凝土表面就有可能出現(xiàn)裂縫^［2］，對混凝土的穩(wěn)定性以及防滲漏有極大挑戰(zhàn)。針對這個挑戰(zhàn)，國內(nèi)外學(xué)者做了不少研究。

我國對大體積混凝土的研究相較于國外開始較晚，但是仍然取得了不少成就。1972年，朱伯芳^［1］編制了國內(nèi)首個不穩(wěn)定溫度場的有限元程序，并在工程中進(jìn)行了大量計算，驗證了程序的可靠性。耿鳴山等^［3］采用MIDAS/FEA軟件建立有限元模型，通過水化熱分析得出大體積混凝土澆筑后的溫度應(yīng)力場，同時對比無管冷與有管冷的承臺混凝土水化熱發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)合理的管冷設(shè)計能夠減少大體積混凝土承臺內(nèi)表溫差和表面拉應(yīng)力大小，從而避免混凝土澆筑后早期表面裂縫的產(chǎn)生。陳傳勇等^［4］對橋承臺大體積混凝土進(jìn)行溫度場研究，設(shè)置水冷系統(tǒng)對混凝土進(jìn)行降溫，保障了混凝土質(zhì)量。韓宇聰?shù)?sup>［^5］研究車站底板混凝土中心與表面、表面與大氣溫度間的溫度轉(zhuǎn)換規(guī)律，利用ABAQUS有限元軟件，建立地鐵車站大體積混凝土結(jié)構(gòu)澆筑過程的三維應(yīng)力場-溫度場耦合力學(xué)模型，通過與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，得到地鐵車站底板、側(cè)墻等不同結(jié)構(gòu)不同位置的溫度-應(yīng)變關(guān)系。安瑞楠等^［6］對連續(xù)澆筑期混凝土的溫度梯度演化規(guī)律開展在線監(jiān)測和真實溫度場、應(yīng)力分析，得出溫度梯度在線監(jiān)測系統(tǒng)能保證現(xiàn)場精準(zhǔn)動態(tài)溫控方案較好地實施，從而有效控制開裂風(fēng)險的結(jié)論。徐文等^［7］以某地鐵車站為研究對象，探究了不同環(huán)境溫度、模版材質(zhì)和拆模時間對車站側(cè)墻混凝土溫度、應(yīng)變的影響，并分析了對混凝土開裂的影響。胡匡藝等^［8］認(rèn)為混凝土開裂原因共有收縮開裂、耐久開裂和振動開裂三類，開裂的防護(hù)應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和施工控制三方面入手。曾文波等^［9］以江西某地鐵車站為研究對象，分析了車站側(cè)墻開裂的原因，證明了合適的工藝與材料有利于側(cè)墻抗裂。與此同時，國內(nèi)的學(xué)者針對大體積混凝土的設(shè)計、施工、有限元模擬、太陽輻射的影響等都做出了研究^［10-17］。

地鐵車站的分倉施工技術(shù)在一定程度上降低了側(cè)墻開裂風(fēng)險，但是往往也有十幾米的長度。以往試驗中，以單向少量傳感器布置為主，很少針對深圳亞熱帶季風(fēng)氣候下車站側(cè)墻進(jìn)行左、中、右三列均勻監(jiān)測，對側(cè)墻大體積混凝土整體的溫度分布情況研究不足，不利于對裂縫防治提出可靠的理論指導(dǎo)。本次研究對地鐵車站側(cè)墻的左、中、右三列同時進(jìn)行溫度監(jiān)測，對比分析三列溫度數(shù)據(jù)，從不同維度分析了側(cè)墻大體積混凝土的溫度情況，對整個混凝土的溫度分布有了更全面的認(rèn)識，并且利用ABAQUS有限元分析軟件對混凝土溫度變化過程進(jìn)行模擬，驗證混凝土側(cè)墻溫度變化的各個階段應(yīng)力分布情況。

1"目標(biāo)結(jié)構(gòu)

深圳市軌道交通13號線二期（北延）工程線路由南至北穿過寶安區(qū)和光明新區(qū)。串聯(lián)深圳市光明科學(xué)城、光明中心區(qū)、光明鳳凰城，與深圳市軌道交通13號線一期銜接后直接聯(lián)系深圳高新區(qū)、留仙洞總部基地、深圳灣口岸、后海中心等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)域。線路起于13號線一期工程上屋北站，止于公明北站，線路全長約19.2 km，設(shè)站11座，區(qū)間13條，平均站間距1.7 km。公明北站作為13號線的終點站，車站總長為775.75 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬為22.3 m，車站基坑深為17.55 ｍ，底板厚度為900～1 100 mm，墻體厚度為800～900 mm，具有建筑面積大、長度長等特點，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取C35P8混凝土，對抗裂有著較高的要求。進(jìn)行測溫實驗的兩面?zhèn)葔﹂L度均為16.7 m，厚度為800 mm，高度在6.8 m左右。

2"早期溫度應(yīng)力對開裂的影響

早期溫度應(yīng)力按形成方式主要分為內(nèi)部約束溫度應(yīng)力以及外部約束溫度應(yīng)力。內(nèi)部約束溫度應(yīng)力的大小與混凝土內(nèi)外溫差直接相關(guān)，而外部約束溫度應(yīng)力與混凝土接觸面的性質(zhì)相關(guān)。

如圖1所示，在水化熱的作用下，混凝土?xí)驗闇囟壬叨w積膨脹。此時由于內(nèi)部混凝土散熱困難，導(dǎo)致內(nèi)部溫度高于外部，內(nèi)部膨脹也大于外部，因此混凝土表面產(chǎn)生有害的拉應(yīng)力，有可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。在混凝土降溫階段，混凝土體積開始收縮，內(nèi)部溫度仍大于表面，由于此時混凝土已經(jīng)初凝，強(qiáng)度已經(jīng)處于較高水平，其在升溫階段的形變不能完全恢復(fù)，因此會產(chǎn)生內(nèi)部的拉應(yīng)力，而這容易導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。

如圖2所示，混凝土在升溫階段，體積受熱膨脹，約束表面對其產(chǎn)生壓應(yīng)力，沒有約束的一面相應(yīng)會產(chǎn)生拉應(yīng)力。在降溫階段，混凝土體積收縮，約束表面會限制混凝土收縮，進(jìn)而產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于混凝土在澆筑初期具有一定的塑性，因此前期拉應(yīng)力對混凝土裂縫的發(fā)展影響不大，但是在降溫階段，混凝土有了一定的強(qiáng)度，塑性水平較低，此時外部約束溫度應(yīng)力容易導(dǎo)致混凝土開裂。

在實際工程構(gòu)件澆筑后的早期，內(nèi)部約束溫度應(yīng)力和外部約束溫度應(yīng)力是同時存在的。在混凝土升溫階段，由于混凝土剛澆筑不久，混凝土塑性較為良好，同時混凝土表面的裂縫對混凝土性能影響不大，所以此時的約束溫度應(yīng)力對混凝土影響較小。但是在混凝土降溫階段，由于混凝土已經(jīng)有了一定強(qiáng)度，拉應(yīng)力容易造成混凝土開裂，這時如果產(chǎn)生貫穿混凝土的裂縫，將影響其力學(xué)性能以及對抗?jié)B漏提出挑戰(zhàn)。

3"現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 監(jiān)測方法

為了監(jiān)控側(cè)墻混凝土澆筑后的溫度變化，在側(cè)墻的不同位置布置了溫度測點。將溫度感應(yīng)計固定于混凝土中相應(yīng)位置的鋼筋上，并將作好編號的導(dǎo)線引出側(cè)墻外。大體積混凝土測溫應(yīng)在該測溫點混凝土澆筑時開始，每半個小時監(jiān)測一次。測點分為與相鄰側(cè)墻接觸列、中間列、與空氣接觸列三列，各列共有7個測點，除了外部設(shè)置一個環(huán)境溫度測點外，其余測點均在混凝土內(nèi)部，如圖3所示，每列共有上、中、下三個測位，每個測位布置內(nèi)部與表面兩個測點，表面測點布置在距離混凝土表面約50 mm的位置，一面?zhèn)葔偣?1個測點。溫度測量采用北京海創(chuàng)高科科技有限公司面向國內(nèi)外市場自行研發(fā)的HC-TW80無線測溫儀，由采集器、專用測溫傳感器、充電器和電腦等組成，如圖4所示。傳感器測溫范圍在-30 ℃～120 ℃，精度為0.1 ℃。

3.2 監(jiān)測對象

本次試驗共對兩面地鐵車站側(cè)墻進(jìn)行了監(jiān)測，分別在2023年1月1日與2023年3月18日，氣候上會有所不同，兩次測溫的天氣均為晴天，風(fēng)速為1.2 m/s左右，但是第一次測溫的環(huán)境溫度在13 ℃～23 ℃，第二次測溫的環(huán)境溫度在20 ℃～29 ℃，這對混凝土的溫度也會產(chǎn)生一定影響。兩次試驗均采用C35P8混凝土，根據(jù)監(jiān)測公司的要求，混凝土的配合比也有了相應(yīng)的調(diào)整，見表1。另外，第一面?zhèn)葔τ覀?cè)有已經(jīng)修建好的側(cè)墻，左邊與空氣接觸；而第二面?zhèn)葔ψ髠?cè)有已經(jīng)修建好的側(cè)墻，右邊與空氣接觸。

3.3 監(jiān)測結(jié)果與分析

圖5給出了第一次試驗中地鐵車站側(cè)墻的與空氣接觸列、中間列和與臨墻接觸列的溫度-澆筑時間曲線。

由圖5可知：混凝土澆筑完成后，底部、中部和上部測點溫度都呈現(xiàn)出先急劇上升后又緩慢下降的趨勢。與空氣接觸列測點由于施工原因，導(dǎo)致上部內(nèi)部、中部內(nèi)部與中部表面測點出現(xiàn)問題，分析正常數(shù)據(jù)可知，溫度在10 h左右達(dá)到最高溫32.7 ℃，中間列測點溫度在第2天左右達(dá)到最高溫48.3 ℃，與臨墻接觸列測點溫度在第2天左右達(dá)到最高溫45.9 ℃。在所有測點中，內(nèi)部測點溫度高于對應(yīng)位置的表面測點溫度，這是由于內(nèi)部混凝土散熱相對于表面較為困難；中間列的溫度要高于與臨墻接觸列對應(yīng)測點溫度高于與空氣接觸列對應(yīng)測點溫度，考慮這是因為中間列散熱較為困難，臨墻列由于挨著相鄰的側(cè)墻導(dǎo)致散熱條件差于與空氣接觸那一列的條件。

圖6給出了第二次的測溫曲線。由圖6可以得到與圖5類似的結(jié)論：在所有測點中，內(nèi)部測點溫度高于對應(yīng)位置的表面測點溫度，中間列的溫度高于與臨墻接觸列對應(yīng)測點溫度，高于與空氣接觸列對應(yīng)測點溫度。

由于底部測點傳感器出現(xiàn)問題，所以暫且不分析各列底部測點，可以發(fā)現(xiàn)同樣的混凝土澆筑完成后，中部和上部測點溫度都呈現(xiàn)出先急劇上升后又緩慢下降的趨勢。與空氣接觸列測點溫度在26 h左右達(dá)到最高溫63 ℃，中間列測點溫度在31 h左右達(dá)到最高溫68.5 ℃，與臨墻接觸列測點溫度在27 h左右達(dá)到最高溫61.9 ℃。

表2—表4給出了第一次測溫中幾個典型側(cè)位每日溫度的最值情況。如表2—表4所示，第一面墻降溫階段幾個典型測點的每日溫度最值，可以看到在降溫開始的兩天降溫速度基本都會超過2 ℃/24 h的限值，這樣極易產(chǎn)生外約束裂縫。

表5—表7給出了第二次測溫中幾個典型側(cè)位每日溫度的最值情況。如表5—表7所示，第二面墻降溫階段幾個典型測點的每日溫度最值，同樣可以看到在降溫開始的三天降溫速度基本都會超過2 ℃/24 h的限值，這樣極易產(chǎn)生外約束裂縫。

之后進(jìn)一步對混凝土的內(nèi)部與表面溫差以及表面與環(huán)境溫差進(jìn)行分析，圖7列出了兩次測溫實驗中間列的溫差曲線圖。可以看到溫差曲線與混凝土升溫曲線類似，都有一個先升高后降低的過程。國家規(guī)范中建議混凝土的內(nèi)部與表面溫差不大于20 ℃，可以看到兩種配合比下的混凝土均達(dá)到了要求。另外，表面與環(huán)境溫差過大也容易導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生裂縫，這時就需要采取一定的保溫措施來減少混凝土表面與環(huán)境的換熱。與此同時，通過分析混凝土不同位置的溫差曲線可以發(fā)現(xiàn)，中部測點的溫差大于上部與底部測點的溫差，這是因為中部混凝土的降溫條件差于兩端的降溫條件，因此在預(yù)防裂縫產(chǎn)生時，應(yīng)重點注意混凝土中間部分，這也與我們理論結(jié)果保持一致。

4"數(shù)值模擬建模與分析

4.1 建立模型

采用ABAQUS大型有限元分析軟件對溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行分析，按原尺寸，采用溫度位移耦合網(wǎng)格，建立地鐵車站大體積混凝土側(cè)墻的應(yīng)力場-溫度場耦合三維力學(xué)模型，如圖8所示。側(cè)墻長16.6 m、寬6.84 m、厚0.8 m，單元共3 600個，節(jié)點4 845個。另外建立側(cè)基巖、底部基巖與相鄰側(cè)墻的模型，進(jìn)行裝配，得到整個模型，如圖9所示。

4.2 模型參數(shù)定義

采用彈塑性本構(gòu)模型來定義材料性質(zhì)，主要參數(shù)見表8、表9。

忽略混凝土澆筑時間，認(rèn)為混凝土側(cè)墻是一次性澆筑完成，通過FILM子程序定義混凝土表面與大氣的對流換熱，將每日的氣溫簡化為余弦曲線^［18］。用UEXPAN子程序根據(jù)歐洲規(guī)范^［19］來定義材料的收縮應(yīng)變以及線彈性系數(shù)。通過HETVAL子程序根據(jù)規(guī)范^［20］給出的水化熱模型定義混凝土水化熱屬性。混凝土導(dǎo)熱率一般取1.28～2.33 W/（m·K），剛澆筑的混凝土的各項系數(shù)不能確定，因此在允許范圍內(nèi)，進(jìn)行調(diào)整以擬合測溫試驗的結(jié)果^［21］。

4.3 數(shù)值驗證分析

利用應(yīng)力場-溫度場耦合分析步對模型進(jìn)行計算，得到車站側(cè)墻在各個時間下溫度變化情況與應(yīng)力分布情況，并且與實驗得到數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，圖10為第一面?zhèn)葔y點的試驗與模擬結(jié)果對比。

通過計算幾個典型測點溫度可得，實測溫度與數(shù)值計算結(jié)果得到的溫度相對誤差小于15％，滿足工程問題研究的要求。進(jìn)一步對第二面墻進(jìn)行模擬，得到圖11。

通過計算幾個典型測點溫度可得，實測溫度與數(shù)值模擬溫度相對誤差小于15%，滿足工程問題研究的要求。后期曲線擬合有所出入，考慮是實際環(huán)境溫度在當(dāng)天有所升高，減小了混凝土降溫速率，導(dǎo)致實驗結(jié)果與模擬曲線有所差距，但對接下來的分析影響較小。

由圖12可知，混凝土核心最高溫度為67.6 ℃，邊緣溫度較低，這是因為邊緣位置都有與外界接觸的對流邊界，表面與大氣接觸，或與旁邊基巖接觸，內(nèi)部溫度不易消散，所以出現(xiàn)了混凝土核心比邊緣溫度高的情況。

4.4 應(yīng)力結(jié)果分析

由上述溫度分析可以看出：側(cè)墻的溫度場的計算值與實測值吻合度較高，在允許的范圍內(nèi)，可根據(jù)計算溫度場對大體積混凝土進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。由于并未對混凝土應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，因此不進(jìn)行具體的應(yīng)力大小分析，只針對應(yīng)力大小關(guān)系進(jìn)行判斷。

先來分析混凝土升溫階段，圖13展示了混凝土側(cè)墻澆筑20 h時，也就是升溫階段應(yīng)力分布情況。如圖13所示，由于混凝土受熱膨脹在內(nèi)部約束溫度應(yīng)力的作用下導(dǎo)致混凝土表面中部容易產(chǎn)生裂縫，混凝土下部與后部有基巖，在基巖的外部約束溫度應(yīng)力作用下，混凝土外表面容易應(yīng)力較大，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫。

圖14給出了混凝土降溫階段應(yīng)力大小關(guān)系，如圖所示側(cè)墻底部與基巖接觸位置由于混凝土外部約束的影響，造成溫度應(yīng)力較大，極容易引起裂縫發(fā)展。相比之下，混凝土內(nèi)部約束溫度應(yīng)力造成的混凝土表面中間部位的應(yīng)力要小很多，但是由于在升溫階段，混凝土表面中部已有裂縫的情況下，很容易在降溫階段與底部裂縫連貫起來，造成貫穿混凝土的裂縫，對混凝土的坑滲漏以及力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。

5"結(jié)"論

隨著城市的發(fā)展，城市人口越來越多，地鐵車站規(guī)模越來越大，大體積混凝土結(jié)構(gòu)不可避免地被應(yīng)用到工程中去，但是混凝土水化熱導(dǎo)致的混凝土溫度變化極容易造成混凝土墻體的開裂。本研究針對深圳地鐵13號線公明北地鐵車站的側(cè)墻進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值計算分析，得到了在混凝土水化熱作用下的側(cè)墻溫度變化，進(jìn)一步計算了混凝土內(nèi)部應(yīng)力情況。主要有以下結(jié)論與建議：

（1）"地鐵車站側(cè)墻澆筑后溫度會急劇上升。由于混凝土內(nèi)部與表面所接觸的溫度環(huán)境不同，其體積與溫度變化也會受到影響，此時主要受到內(nèi)部約束溫度應(yīng)力，一般混凝土溫度升高幅度不會超過50℃，但也推薦采用布設(shè)管道冷水循環(huán)系統(tǒng)降溫，以緩解降溫階段的壓力。

（2）"在降溫階段，如果不采取保溫措施，混凝土降溫速度很容易超過規(guī)范推薦的2 ℃/24 h，所以在降溫階段應(yīng)該對混凝土采取保溫措施，以此來防止外部約束溫度應(yīng)力過大造成的混凝土開裂。

（3）"本研究對大體積混凝土的溫度變化過程進(jìn)行數(shù)值模擬及驗證，在一定程度上可以判斷什么位置容易應(yīng)力集中，什么位置容易產(chǎn)生裂縫。對預(yù)防和治理混凝土裂縫的產(chǎn)生都有一定的參考意義。

（4）"通過本次研究，在進(jìn)行大體積混凝土施工時，尤其是一些對防水提出嚴(yán)格要求的工程時，一定要重視起混凝土溫度變化過程，盡可能采取“外保內(nèi)降”"的措施，來減小混凝土內(nèi)部與表面溫差、表面與環(huán)境溫差以及降溫速率，這樣才可以確保混凝土墻體的施工質(zhì)量，減少裂縫的出現(xiàn)。

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