大体积混凝土温度控制参数敏感性仿真分析

代迟书

（武汉市公路工程咨询监理公司 武汉 430051）

混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1／10左右，拉伸变形也很小，短期极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×10－4，约相当于温度降低6～10℃的变形。大体积混凝土结构尺寸较大，混凝土浇筑后，由于水泥水化热作用，内部温度急剧上升，此时弹性模量很小，徐变很大，升温引起的压力不大，但在日后温度逐渐降低时，弹性模量较大，徐变较小，在一定约束条件下会产生相当大的拉应力。此外，大体积混凝土结构通常是不配钢筋或钢筋数量很少，如果出现了拉应力，就要依靠混凝土本身来承受。一旦温度控制不当，极易出现裂缝。

我国规范《大体积混凝土施工规范》规定［1］：混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升不宜大于50℃；混凝土浇筑块的里表温差（不含混凝土收缩的当量温度）不宜大于25℃；混凝土浇筑体的降温速率不宜大于2.0℃／d；混凝土浇筑体表面与大气温差不宜大于20℃；混凝土入模温度不宜低于5℃，并控制在30℃以下。

为了使承台的水化热方案能够满足规范的要求，同时又方便实现，本文选取了入模温度、环境温度、冷却水温度、冷却水流量、边界条件的放热系数等参数研究其对里表温差、温度峰值和温度峰值出现时间的影响。

1 模型介绍和参数取值

康家河大桥主墩承台为15.0m×10.5m×4.5m长方体，采用C30混凝土且一次性浇筑。本文采用通用有限元软件分析程序 Midas／civil建立承台的有限元模型，共有3 207个节点和2 540个单元。模型中采用的主要参数见表1。计算理论采用朱伯芳［2］的等效负热源方法。混凝土与钢模板和空气的接触边界属于第三类边界条件，即经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度t和气温ta之差成正比［3］。地基的边界为第一类边界，亦即表面温度恒定为已知的温度（15℃）。

表1 模型中的主要参数

冷却水管共布置3层，入水口尽量布置在各层中心位置，具体布置见文献［4］。

2 影响温度场的参数敏感性分析

2.1 入模温度

混凝土的入模温度也称浇筑温度，它是混凝土水化热温升的基础。当只改变入模温度（9，10，11，12，13，14，15℃），其他条件都不变时，观察不同状态下的温度变化情况，见图1。

图1 不同入模温度下各高程中心点温度峰值图

由图1可见，入模温度对混凝土温度影响是非常显著的，基本成线性关系［5］。即浇筑温度每增加1℃，混凝土温度基本增加1℃。当然温度点位置越靠近混凝土里面的时候，线性关系越明显；当温度点靠近上表面时由于环境温度与混凝土的差值不同，而此边界条件属于第三类边界条件，即经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度t和气温ta之差成正比，因此此处温度还受到环境温度的影响，线性关系不明显；当温度点靠近下表面时，由于地基阻挡了大部分热量的流通，因此温度影响特性和混凝土里面的温度一样，成线性关系。由此可见，当入模温度越高时，里表温度差值越大，当然里表差值的变化小于入模温度的变化，见图2。

图2 不同入模温度下中心点温度随时间变化图

由图2可见，入模温度对中心温度的峰值影响呈线性关系（图1也清楚的反映了），入模温度越高，中心温度峰值越大。入模温度变化对中心温度峰值出现的时间影响不大，中心温度峰值出现的时间在80～100h之间。

2.2 环境温度

周围环境与混凝土的热量交换是与其温差成正比［6］，因此相同混凝土在不同环境温度下，由于热量流动量不同导致了温度场不同。在实际的仿真计算中，很难模拟实际的环境温度曲线。为了了解在不同环境下温度场变化特点，以便为实际中出现不同环境温度时采取的措施提供依据，本文分别计算了环境温度为15，17，19，21，23，25℃下的温度场情况，见图3。

图3 不同环境温度下里表温度差随时间变化图

由图3可见，环境温度越低，里表温差越大，因此在寒潮来临时进行浇筑是不利的。不同环境温度下各高程中心点温度峰值见图4，环境温度对上表面温度中心点影响较大，高程越低时，其高程中心点的温度受到的影响越小。其规律是测点远离表面时，温度受环境温度的影响越小。

图4 不同环境温度下各高程中心点温度峰值图

2.3 冷却水

冷却水在水管中流动时，因温差而沿途吸收混凝土放出的热量，水温逐渐升高，出口处水温将高于进水口温度。冷却过程中，人为地分成2个阶段：一期为到达温峰阶段之前，起着消减水化热的温升；二期为温峰之后，主要是降低混凝土温度到稳定温度。

2.3.1 冷却水温度

在混凝土的热传导中，热流量q与温度梯度成正比。冷却水与混凝土的温差直接影响热量的交换，也影响了混凝土的温度。取冷却水温度分别为15，16，17，18，19，20℃，来观察它对混凝土温度的影响。

如图5所示，不同冷却水温对中心点温度的影响随着时间的增长越来越明显。在一期主要起着降低各点的温度峰值的作用。图6为在不同通水水温下各高程中心点的温度峰值情况。冷却水温度越高，消减水化热的温升能力越小，各点的温度峰值越大。

图5 不同通水温度下中心点温度随时间变化图

图6 不同通水温度下各高程中心点温度峰值图

如表2所列，冷却水温度每升高1℃，混凝土中心点温度峰值增加约0.099 1℃。

表2 模型中的主要参数℃

2.3.2 冷却水流量

流量是指单位时间通过截面的体积。现分析流通量分别为0.3，0.6，0.9，1.2，1.5m3／h和没有冷却水管的6种情况，见图7，8。

图7 不同冷却水温度下各高程中心温度峰值图

图8 不同冷却水温度下里表温度差随时间变化图

由图7可见，冷却水流量大小对各高程中心点的温峰值影响不大；但是在没有冷却水管时，上表面中心的温度峰值不变的情况，其他各高程中心点温度峰值有增加。图8表示不同冷却水温下里表温度差值随时间变化的情况。可以看出：冷却水流量对里表温度影响不大；在没有冷却水时里表温差有增加。

2.4 边界条件的放热系数

设置的模型中上表面的对流系数为77.145 kJ／（m2·h·℃），当表面覆盖2层薄膜和2cm草袋时，等效放热系数为20.80kJ／（m2·h·℃）。模型中侧面的对流系数为82.566kJ／（m2·h·℃），当采用2cm木模，1cm的油毛毡保暖，且风速为0时，等效放热系数为58.38kJ／（m2·h·℃）。

如图9所示，减小边界的放热系数对上表面中心的温度峰值影响较大。图10～12分别表示了混凝土中心点和上表面中心的温度变化及其差值变化情况。可以看出：放热系数减小，对中心点温度的影响不大，对上表面中心的影响较大。在时间历程上影响最大的区域是50～100h之间，浇注初期影响较小，随温度的增加影响越来越大，随着温度的降低影响随之减小，温度峰值出现的时间也延长很多，里表温度差也是随着放热系数的减小而减小。

图9 不同放热系数下各高程中心点温度峰值图

图10 不同放热系数下中心点温度随时间变化图

图11 不同放热系数下上表面中心点温度随时间变化图

图12 不同放热系数下里表温度差随时间变化图

3 结论

（1）入模温度对混凝土温度影响是非常显著的，基本成线性关系，即浇筑温度每增加1℃，混凝土温度基本增加1℃。当温度点位置越靠近混凝土里面时，线性关系越明显；当温度点靠近上表面时影响较小。入模温度对各点出现的温度峰值时间影响不大。入模温度越高，里表温度差越大。在实际工程中，高温的夏季浇筑多采用冷却骨料和冷却水等方式来降低入模温度。

（2）环境温度越低，里表温度差越大。因此当寒潮来临或晚上温度较低时，会严重加大里表温差。

（3）冷却水对中心点温度的影响随着时间的增长越来越明显。冷却水温度越高，各点的温度峰值越大，冷却水温度每升高1℃，混凝土中心点温度峰值增加约为0.099 1。

（4）冷却水速度大小对各高程中心点的温度峰值影响不大。但在没有冷却水管时，上表面中心的温度峰值不变，其他各高程中心点温度峰值有增加。冷却水流量对里表温度影响不大，在没有冷却水时里表温差有增加。

（5）减小边界的放热系数对上表面中心的温度峰值影响较大。放热系数的减小，对中心点温度的影响不大，对上表面中心的影响较大。在时间历程上影响最大的区域是50～100h之间，浇注初期影响较小，随温度的增加影响越来越大，而又随着温度的降低影响随之减小，温度峰值出现的时间也延长很多，里表温度差也是随着放热系数的减小而减小，因此较好的养护条件可以减小里表温度差。

［1］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国电力出版社，1998.

［2］GB50496－2009大体积混凝土施工规范［M］.北京：中华技术出版社，2009.

［3］王解军，梁锦锋，王明明.连续刚构桥承台施工中的温度分析［J］.中南公路工程，2005（4）：86－90.

［4］代迟书.连续钢构桥如水化热现场监测与温度控制［J］.交通科技，2013（3）：50－52.

［5］李问兵.大体积混凝土的温度裂缝及其控制技术探讨［D］.成都：西南交通大学，2004.

［6］李 政.主墩承台大体积混凝土施工温度控制［J］.中南公路工程，2004（2）：125－127.