筏板基础大体积混凝土施工温度场数值模拟

常 杰

（中铁十六局集团第四工程有限公司，北京 101400）

大体积混凝土在硬化过程中由于水化热的作用，其内部温度较高，与表面混凝土形成较高的温度差，由于约束作用，导致其内部温度发生变化却无法发生自由变形从而产生温度约束应力。当温度应力超过混凝土早期抗拉强度时即形成裂缝，控制混凝土出现早期裂缝的重要措施之一是减小温度应力，而控制温差是减小应力的最直接方式。实际施工时通过采取合理的浇筑形式以控制里表温差在合理范围。

陈兆荣通过有限元模拟大体积混凝土梁的水化过程，证明分层法浇筑可明显降低大体积基础梁的水化热温升，使内外温差维持在合理范围内，应力也相应小于允许应力，有效控制了温度裂缝的产生[1]。王继祥利用Midas/FEA 中水化热分析模块，对大体积混凝土进行施工模拟后发现，分层施工浇筑可降低混凝土内部最大温升，实际浇筑过程中通过合理分层可以有效控制新老浇筑层之间的约束力，降低开裂风险[2]。

通过有限元软件模拟大体积混凝土的浇筑过程，根据得到的结果指导实际施工是目前常用的方法。刘国飞利用有限元软件Midas/Civil 对承台大体积混凝土施工期水化热进行仿真计算，分析了水化热变化规律及温度分布规律，并与实际温度监测结果进行了对比分析，提出了合理的施工方案，据此指导现场温度控制[3]。苗胜军等人采用ANSYS 有限元软件热分析模块对大体积承台水化过程中的温度场和温度应力进行了模拟研究，证明模拟结果与实测数据的一致性[4]。陈玉香等人通过采用有限元数值方法，分析了分层浇筑的大体积混凝土温度场变化规律，结果表明分层浇筑的施工方法通过降低混凝土的峰值温度，以避免温度裂缝的产生[5]。傅蜀燕基于ANSYS建立大体积混凝土浇筑有限元模型，分析了实际工程中的水化热问题，论证了模拟结果的可靠性，通过对浇筑过程的数值模拟分析，可寻找到最优浇筑层数，缩短施工时间[6]。王锟采用ANSYS 软件对某水电站大坝大体积混凝土温度场进行模拟分析，证明了ANSYS 有限元软件在混凝土温控计算中的适用性，使用有限元软件进行温度仿真分析计算结果可靠，能够为工程设计提供依据，可更真实地模拟大体积混凝土结构构造[7]。赵健等人根据有限元模拟结果对大体积承台施工采取了温控措施，预防承台混凝土水化热及环境温度变化引起的开裂现象发生[8]。经证明，有限元软件模拟得到的结果与实际结果具有高度一致性，结合具体工程，对大体积混凝土进行温度场模拟，提高了解决工程实际问题的效率。

本文结合昆明市官渡区人民医院项目筏板基础工程，拟通过ANSYS 有限元软件，分别模拟推移式分层浇筑与整体浇筑的过程，得到相应的温度场结果。对比两种浇筑形式下的温度变化规律，验证推移式分层浇筑对大体积混凝土内部峰值温度及内外温差的控制效果，从而为实际施工提供理论依据。

1 工程背景

1.1 工程概况

昆明市官渡区人民医院迁建项目建设用地位于原巫家坝机场北端，项目总用地面积61 680m2，总建筑面积198 322m2，其中地上面积122 252m2，地下面积76 070m2。地下室筏板基础厚度1.8m，根据整体几何尺寸以及内部水化将引起的剧烈温度变化情况，考虑作为大体积混凝土编制施工方案。

1.2 施工方案初步设计

大体积混凝土分层浇筑方式主要分为三类：整体分层浇筑、推移式连续浇筑、斜面分层推移式浇筑。本工程作为面积较大、厚度不大的筏板基础，拟采取推移式连续浇筑的施工方案。浇筑点不断前推，浇筑点前面的混凝土形成自然流淌斜面，浇筑点后面的混凝土浇筑到设计标高。

2 有限元分析

2.1 模型的建立

选取局部筏板基础作为分析对象，分别考虑整体一次浇筑与推移式连续浇筑的施工方法，结构模型如图1 所示。

图1 不同浇注形式下的有限元模型

其中分层浇筑过程通过ANSYS 单元生死过程实现，按照浇筑次序在特定时刻逐块激活相应的块体或单元，实现顺序浇筑过程的仿真。对全部节点的温度自由度约束成起始浇筑温度，通过删除相应温度约束的方式，以使模拟所得的温度场结果更为合理。

2.2 模型参数的确定

2.2.1 水化热

水泥水化热是影响混凝土温度应力的一个重要因素，实际温度场计算中采用混凝土绝热温升θ，通常采用绝热温升试验设备直接测定。水泥水化热是依赖于龄期的，本文采用指数形式模拟水泥水化热曲线。混凝土绝热温升则根据水泥水化热估算并通过生热率HGEN实现，生热率是混凝土生热量对时间的导数，表示单位时间内混凝土的生热量。具体公式如下：

式中m——水泥的水化放热系数；

Q0——龄期内（通常为28d）单位质量水泥水化放热总量，根据现场施工混凝土配合比由经验确定；

t——龄期；

W——每m3混凝土胶凝材料用量；

K——折减系数，粉煤灰取0.25。

结合工程的实际配合比（表1），模拟水化升温曲线。

表1 混凝土施工配合比

2.2.2 初始条件及边界条件

初始条件为混凝土内部温度的初始瞬时分布规律，边界条件则为混凝土表面与周围介质之间的温度相互作用规律。混凝土的初始温度即为混凝土的浇筑温度16℃。浇筑时表面与空气直接接触，存在热对流，对流系数通过定义数组的方式，与空气直接接触的表面对流系数取1807 488J/(m2d℃），与空气间接接触的对流系数取值为401 664J/（m2d℃），根据现场实测值将变化的温度荷载施加于混凝土表面。

2.2.3 有限元结果分析

利用ANSYS 有限元软件，分别模拟了推移式连续浇筑与整体一次浇筑的施工方式，得到不同的温度场对比结果，温度场云图如图2 所示。两种不同浇筑形式下的温度场分布均为中心温度高，外侧温度低，内外侧形成温度差。

图2 不同浇筑形式下的温度场云图

图3 显示了不同浇筑方式下，浇筑结束至前7d 中心节点的内部温升曲线。两条曲线的温升规律基本相近，早期温度上升，达到峰值点后温度逐渐下降。从数值上分析，采用整体浇筑方式，内部升温速率快，峰值温度达到近75℃。而相比之下，采用推移式分层浇筑得到的峰值温度较低，约63℃，分层浇筑使内部峰值温度下降近10℃左右。

图3 内部温升曲线

选取距离上表面约100mm 深度位置处的节点温度代表混凝土表面温度，其温度时程曲线如图4 所示。由于外界环境温度不断变化，曲线略有波动，但总体趋势与内部温升曲线相近，浇筑2～3d 左右达到峰值温度。相较于整体浇筑方式，分层浇筑达到的峰值温度较低，降低近10℃左右，表面温度与环境温度保持在较低的温差范围内。

图4 表面温升曲线

混凝土自浇筑开始，水泥水化作用不断放热，由于浇筑表面与空气直接接触，通过对流作用，温度下降较快，但内部热量无法及时散出，从而形成较大的里表温差。一般规定，混凝土中心温度和表面温度之差不应大于25℃，温差过大容易形成有害裂缝。大体积混凝土较大的里表温差是形成温度应力的重要原因，因此，推移式连续浇筑所能到达的最大里表温差能够满足规范要求是作为采用该浇筑方式的主要理论依据。如图5 所示，曲线上的温差值是从浇筑结束后开始计算的，推移式分层浇筑下层水化放热时间早于上层，因此在开始阶段其里表温差略大于整体浇筑的温差，随着整体水化放热的进行，其里表温差的增长趋势逐渐小于整体浇筑，最终达到的最大温差值小于整体浇筑的温差。若直接进行整体浇筑，内外温差的最大值超过25℃，无法满足规范要求。利用分层浇筑的方式，能相对分散内部水化热量，使里表温差值下降。根据推移式分层浇筑的温差模拟曲线，可以直观看到，里表温差最大接近22℃，满足规范对温度的要求，证明其作为大体积筏板基础的浇筑方式具有合理性。

图5 大体积筏板基础里表温差

3 施工方案编制

根据模拟结果，制定具体的推移式连续浇筑的施工方案。结合工程实际，采用“分段定点、薄层浇筑、一个坡度、循环推进、一次到顶”的施工方式[12～13]。“分段定点”是指按混凝土浇筑自然流淌长度进行分段定点（商品混凝土自然流淌长度约18m）；“薄层浇筑”是指混凝土一次浇筑到顶形成坡面后，其以后各层厚度不得超过500mm，且每次下料都必须盖住坡脚，确保不形成冷缝；“一个坡度”是指按首次成型坡面基本保持原样向前浇筑，以控制下料路线和防止产生冷缝；“循环推进”是指按浇筑流向依次向前浇筑；“一次到顶”是指混凝土每次下料必须达到顶板标高，然后依次向前推进。

1）地下室筏板混凝土浇筑路线如图6 中箭头方向，浇筑顺序按19 区→20 区→21 区→17 区→15 区→14 区→10 区→9 区→5 区→4 区施工。

图6 筏板施工段划分图

2）浇筑前须认真核对混凝土浇筑申请单、混凝土配合比单，确保所浇筑的混凝土不超过初凝时间，检测混凝土出仓温度，并做好坍落度的现场测试工作，浇筑过程中严禁向混凝土中加水。如因停滞时间过长导致混凝土出现初凝、离析等现象，应坚决退回。

3）采用ZN50 插入式振捣器进行底板混凝土振捣时，振捣器要快插慢拔，插点均匀设置，逐点移动，顺序进行，振实均匀，不得遗漏。移动间距不大于振捣作用有效半径的1.5 倍（约为450mm），控制振捣时间（约为20～30s），实际以混凝土泛浆和冒泡为准，避免漏振、欠振和超振。在下一层混凝土初凝前进行上一层混凝土的振捣，为防层间接缝，必须插入下层50mm。振捣器距离模板不大于450mm，并不紧靠模板振动。用平板振捣器振捣底板混凝土时，每一位置上连续振动一定时间，直至表面均匀出浆，移动时必须逐行拖进，成排一次进行，前后位置和排与排之间有1/3 平板宽度的搭接，以防漏振。浇筑板混凝土的虚铺厚度，略大于板厚约10mm，用平板振捣器顺浇筑方向拖拉振捣，不允许用振捣棒铺摊混凝土。

4）根据实际情况，考虑后期具体的养护方式及温控措施。基础底板采用覆盖薄膜加土工布方法进行养护。混凝土内部峰值温度出现在浇筑后2d 后，如在养护期内出现温差接近和超过25℃，则要立即采取加厚覆盖保温措施。为保证混凝土初期强度要求，养护时间不得小于14d（里表温差小于25℃后，洒水养护）。

4 结论

1）大体积混凝土水泥水化放热产生的热量显著，热量集中于内部，必然产生较大的内外温差，温差超过允许范围后表面形成温度裂缝。因此，大体积混凝土不能采用一次整体浇筑的方式，在浇筑前必须考虑合理的施工方案，并采取措施严格控制后期温度的变化。

2）推移式连续浇筑相较于整体一次浇筑能够有效地降低混凝土内部温度峰值，减小里表温差，使温度控制满足规范要求。

3）ANSYS 软件可以方便地模拟混凝土浇筑的全过程，通过建立实际模型，得到直观的温度场结果以及各节点随龄期的温度变化规律，对解决工程实际问题具有重要的参考意义。