大体积混凝土边界影响及管冷优化研究应用

2020-04-30何熊伟

福建建筑 2020年3期

何熊伟

(中铁二局集团有限公司四川成都 610031)

0 引言

大体积混凝土浇筑后，水泥水化放出大量的热量会使混凝土内部的温度升高。混凝土表面散热较快，而大体积混凝土结构较厚，且自身导热性能差，水泥水化的热量聚集在结构内部不易散失，使混凝土内外温差大，在大体积内部产生温度应力。当温度应力足够大时，浇筑的大体积混凝土会产生贯穿整个界面的温度裂缝，给结构带来重大的损伤，严重地影响工程结构安全，现已引起广大工程师、学者关注。

当前，国内外的学者对上述问题进行了大量的配合比优化、温度应力、温度控制和裂缝控制等研究[1-5]。杨磊[6]分析了冷却水管不同间距对冷却速度的影响。王新刚等[7]利用有限元软件MIDAS/CIVIL，对埋设冷却水管的大体积混凝土的温度场进行计算，分析水管布置形式，水管直径、管距、长度，冷却水流量等因素对温度场的影响，并综合考虑冷却效率和施工成本，提出较为合理的冷却水管布置方案。魏德敏等[8]针对大体积混凝土基础，进行混凝土浇筑后的温度场有限元分析，研究分析了冷却水管水平间距、竖向间距、入模温度与冷却水入管温度之差、水管长度、冷却水流量、混凝土基础厚度等参数对混凝土最高温度的影响。然而，迄今为止，多数研究尚未考虑混凝土边界散热、冷却水水温对内部温度场及管冷布设的影响。

基于此，本研究以某超高层建筑筏板基础大体积混凝土为背景，采用MIDAS/GEN有限元分析软件对边界散热及管冷优化进行数值模拟分析，以最优的管冷布置方式、合理的保温措施及结合分阶段变温通水应用到实际施工中，达到了大体积混凝土结构降温防裂的目的。同时，通过施工过程的监测对比，验证了数值模拟的正确性。

1 工程概况

该建筑为超高层办公楼，建筑高度343.255m，采用柱下条基、筏板及抗水板的基础结构形式。筏板基础区域28.6m×28.3m，厚度为4.0m，局部电梯井区域厚度达5.5m、6.0m，如图1所示。混凝土采用C40混凝土，整个基础浇筑方量8350m3，其中核心筒筏板混凝土浇筑方量3450m3，属于典型的大体积混凝土范畴，是本次研究的对象。

图1 基础平面布置示意

2 有限元模型建立

2.1 材料及相关参数

大体积混凝土宜首选大坝专用水泥，其次选择矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。该工程所涉及的C40大体积混凝土配合比设计如下：

(1)采用双掺方式，胶凝材料中加入大量的粉煤灰和矿粉；

(2)以强度为主要指标，坍落度和扩展度作为参考，通过正交试验分析不同因素的影响规律；

(3)以正交试验得出的规律为基础，设计若干组满足强度的混凝土配合比。

通过对其工作性能、力学性能进行测试，得出最佳的配合比如表1所示。

表1 基础混凝土配合比

根据相关资料[1-6]，有限元模型所选参数如表2所示。

表2 有限元模型各参数列表

注：根据文献[1]表面覆盖对流系数为5cm麻袋参数。

2.2 基本假定及边界条件

(1)基本假定

数值模拟的3种假定如下：

①视模型环境温度为定值，取值20℃；

②混凝土为均质体，且一次性浇筑完成；

③不计内部钢筋、管冷对混凝土量的影响。

(2)边界条件

数值模拟筏板基础温度场的4种边界条件如下：

①筏板基础的地基为固定约束边界；

②模型为筏板基础的一半，故对称面边界为对称约束边界；

③筏板基础与地基接触面为热传导边界；

④大气与筏板基础的接触面为对流边界。

2.3 模型的建立及特征点选取

2.3.1模型的建立

以MIDAS/GEN中取筏板基础实际尺寸的1/2建模计算。模型上部结构为筏板混凝土结构，下部为地基。筏板基础尺寸为28.0m×14.0m×4.0m，局部有电梯井，地基尺寸为40.0m×20.0m×8.0m，如图2所示。

图2 筏板基础1/2模型

2.3.2特征点选取

所选取筏板特征点位置分布如图3所示。

图3 筏板特征点位置分布

3 边界影响及表面覆盖延申分析

数值模拟在筏板浇筑完成后，混凝土表面覆盖5cm麻袋最高温度出现在130h附近，图4为130h温度场，筏板中心点的最高温度为80.58℃。

图4 表面覆盖麻袋时130h温度云图

3.1 边界影响范围分析

选择混凝土各表面几何中心点作为特征基准点，混凝土内部与表面中心不同距离的特征点，在不同时刻的温度曲线图，如图5～图7所示。

图5 上表面温度曲线

图6 侧面温度曲线

图7 底面温度曲线

由图5～图7可知，基础混凝土内部特征点的温度随着与表面基准点距离的增大而升高，温度梯度逐渐减少，最终趋于收敛。

取各图收敛温度数值95%对应的距离作为基础混凝土与地基或覆盖麻袋接触边界散热的有效影响范围，基础混凝土与地基接触边界在不同时间点的有效范围如表3～表5所示。

表3 上表面有效影响范围

表4 侧面有效影响范围

表5 底面有效影响范围

由表3～表5可知，筏板基础各表面在筏板混凝土温度达到峰值时(130h)的影响范围分别为0.93m、1.06m及1.04m，在进行管冷布设时，可取各边界的影响范围为1.0m。

3.2 表面覆盖延申范围分析

由于筏板基础上表面的棱边点处属于温度最低部位，故在上表面加设保温措施(麻袋覆盖)时，于基础表面棱边位置处将保温覆盖向外延伸，确保棱边位置处温度不宜过低。

上表面棱边特征点在不同覆盖延伸长度的温度时程曲线如图8所示。

图8 覆盖延伸棱边特征点温度时程曲线

上表面棱边特征点在不同覆盖延伸长度情况下与筏板中心点的温差时程图如图9所示。

图9 覆盖延伸棱边特征点与筏板中心点温差时程曲线

由以上特征点时程曲线图可以得出：

①表面棱边点在向外覆盖延伸后较未向外覆盖延伸温度明显提高，棱边处最高温度提高10℃左右，确定向外覆盖后对棱边处有很好的保温作用效果。故，筏板基础在加设保温措施时有必要向棱边外延伸保温措施。

②在保温延伸距离1.0m到1.5m时，棱边处的温度已趋于收敛。从经济与效益的层面考虑，向外延伸的保温措施距离宜为0.5m～1.0m。

③采取覆盖措施后的筏板基础里表温差最大值超过了《大体积混凝土施工规范及条文说明》中规定的混凝土浇筑块体里表温差不宜大于25℃，故还需要在筏板混凝土中采取内部管冷降温措施。

4 管冷影响分析及布设

4.1 管冷影响范围分析

在表面保温覆盖状态下，主要对管冷径向影响范围在筏板中部位置布置一根管冷贯通整个筏板混凝土结构。管冷采用外径φ32mm，壁厚2.0mm焊管，入水温度为20℃，流量取值1.2m3/h[8]。

根据MIDAS/GEN计算分析后，取管冷中部处横向相应特征点计算结果，与管冷中心不同距离特征点的温度时程曲线，如图10所示。

图10 管冷对混凝土的温度时程曲线

取管冷收敛温度值95%对应的距离作为有效影响范围。不同时间点的有效影响范围如表6所示。

表6 上表面有效影响范围

由表6可知，在筏板混凝土温度达到峰值时(130h)管冷的影响范围为1.15m。

4.2 管冷优化及变温通水设置

根据边界影响范围及管冷影响分析，对核心筒筏板基础管冷采用如下布置：冷却管竖向间距为1.0m，水平间距为1.5m，如图11所示。基础上表面为覆盖5cm的麻袋，并超出筏板基础边界1.0m。

图11 筏板管冷布置剖面示意

同时，为避免冷却水与混凝土内部温差过大出现温度裂缝，根据模拟结果冷却水宜与混凝土内部温度差保持在20℃～25℃内。根据数值模拟结果分析，将筏板基础混凝土内部降温分为以下阶段：0～10h冷却水温度宜为20℃左右，10h～30h冷却水温度宜为35℃，30h～45h冷却水温度宜为45℃，45h～170h冷却水温度宜为50℃，170h～240h冷却水温度宜为45℃，240h～350h冷却水温度宜为35℃。模拟结果显示，筏板基础混凝土浇筑完成后，内部最高温度为68.71℃，出现在浇筑完成后的100h，并且过温度峰值后的降温速率为1.23℃/d。

5 现场施工及监测结果分析

现场实际进行基础大体积混凝土施工时的环境温度为22～28℃，历时约57h，共浇筑8350m3混凝土。混凝土的相关性能指标如表7所示。

表7 混凝土施工各性能指标

根据有限元模拟结果，在现场浇筑的混凝土内布置管冷后设置17个测温点，筏板基础11个，条形基础6个，监测点的测位布置示意，筏板基础测温点布设如图12所示。

图12 筏板基础测温点布设示意

采用自行研发的DS18B20温度传感器及无线测温采集监控平台进行数据采集，数据采集器每隔2.5min采集一次温度数据，可反应实时温度数据曲线。指定专人负责掌握基础内部实际温度变化情况，对布设点时时进行监视温度及温差变化情况，以调整管冷入水温度及养护工作。筏板基础几何中心点的监测数据，限于文章篇幅以T1监测结果进行分析，如图13、图14所示。监测大气温度的测位探头距混凝土面300mm，监测混凝土表面温度的测位探头置于麻袋覆盖面下，监测混凝土内部最上端和最下端的测位探头距混凝土面距离100mm，混凝土内部其余测位探头则均匀分布。

图13 监测点T1温度时程曲线

图14 监测点T1里表温差及与大气温差时程图

由图13～图14可以看出，核心筒筏板基础内部的最高温度出现在浇筑后的120h左右，最高温度数值为66.6℃。最大里表温差数值均在规范要求25℃的控制范围内，且表面与大气温差亦在规范要求20℃的控制范围内。过温度峰值后，监测点的降温幅度为1.37℃/d，满足规范要求降温幅度不宜超过2℃/d。上述监测数据与模拟数值接近，验证了数值模拟的准确性。