不同季节下大体积混凝土温度及应力研究

潘云富，冯 伟，施 勇，金鹏举，宋东升，胡忠存

(1.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071；2.中交海洋投资控股有限公司，海南 三亚 572019；3.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033)

0 引 言

大体积混凝土结构因抗压强度高、耐久性好、施工方便，在水工、桥梁、基础结构中应用广泛，但其在施工及使用中受到外界环境、混凝土本身、施工工艺等的影响容易开裂[1]。为解决这一主要问题，20世纪以来许多学者参与大体积混凝土的研究，目前国内外对于大体积混凝土的研究进展迅速，在温度裂缝控制方面也形成了较为全面的理论计算和施工方法，并在许多实际工程中加以应用。朱伯芳[2]经过多年对大体积混凝土的研究，形成了较为完整的理论分析体系与分析方法，为后期的许多实际工程应用提供了很大借鉴；Choi Won-Chang等[3]通过实验筛选出理想的潜热材料，评估使用PCM降低大体积混凝土水化热的可行性，研究表明钡基PCM具有良好的潜热性能，有助于防止混凝土出现温度裂缝。Ahad Muhammad Zeeshan等[4]也通过类似实验证明掺粉煤灰混凝土水化热和混凝土温升峰值低；蔡文俊、赵佩颖、黄文广等[5-7]研究了高温炎热季节下大体积混凝土的裂缝控制，提出了适合高温天气采用的施工方法以及养护措施，不仅加快混凝土的施工，而且成功防止裂缝出现；邓旭、孙启冀等[8,9]从混凝土施工和结构设计、保温方法等方面研究了如何在低温寒冷季节下避免大体积混凝土出现裂缝。

从过去对大体积混凝土影响因素的研究中发现，环境因素对混凝土的温度变化影响很大，但在已有的研究中，环境因素对温度的影响主要集中于在炎热或者寒冷条件等单一因素作用下，而对于不同季节下的多种因素对混凝土联合作用下的研究较少。为此，本文结合三亚市中交海南总部基地项目B地块大体积混凝土筏板基础施工资料，在其他条件相同的情况下，利用MIDAS FEA有限元软件分别模拟三亚地区1月份、4月份、7月份、10月份四个季节的混凝土温度变化，在不采取其他温度控制措施的条件下，探究不同季节下大体积混凝土温度场和温度应力的变化规律，为该地区相关工程施工提供参考。

1 概 述

不同的季节对大体积混凝土温度变化的影响因素有很多，如气温、风速、湿度、土壤温度等[10]。为突出主要因素，本文从已有研究基础中总结出不同季节主要从环境温度、风速、浇筑温度三个方面影响大体积混凝土的温度变化，因此采用此三者为本次研究变量。浇筑温度影响混凝土温升初始值和温升曲线最大值，并且浇筑温度与混凝土水化速率成正比[11]，是混凝土温度变化的起点；而环境温度和风速对混凝土与周围环境的热交换速率有很大影响，能加大或减小混凝土的散热速度。根据三亚市气象资料，1月份、4月份、7月份、10月份分别代表春、夏、秋、冬四个季节，其地表平均温度和平均风速见表1，不同季节的浇筑温度需进一步计算确定。

表1 三亚气象资料

本文以三亚市中交海南总部基地项目B地块超高层筏板基础工程为依托，研究不同季节下大体积混凝土温度及温度应力变化，该筏板主体厚3.0 m，局部电梯井最厚处为8.7 m，采用C40 P8抗渗混凝土一次浇筑施工，筏板基础混凝土配合比见表2。为排除其他因素对计算结果产生误差，各季节除环境温度、风速、浇筑温度不同外，其他现场施工条件均相同。

表2 筏板基础混凝土配合比(kg/m3)

2 计算参数与有限元建模

2.1 变量取值

2.1.1 浇筑温度

浇筑温度是影响混凝土温度时变过程中的一个重要因素，在工程分析中一般在现场用温度计测量取值，而其作为本工程的变量用公式(1)进行理论计算：

TP=T1+(Ta+R/β-T1)(φ1+φ2)

(1)

式中：TP为浇筑温度，℃；T1为材料存放温度，℃；Ta为气温，℃；R为太阳辐射热量；β为放热系数；φ1、φ2为温度变化系数。

由公式1可以看出，混凝土浇筑温度大小主要与所处环境温度这一因素有关，可粗略表示为浇筑温度与环境温度成正比。为简化计算，同时保证混凝土冬季浇筑温度不低于5 ℃，夏季不高于30 ℃[12]，本文混凝土浇筑温度根据对应月份环境温度取值，即1月份、4月份、7月份、10月份浇筑温度分别为21.6 ℃、27 ℃、29 ℃、24 ℃。

2.1.2 放热系数

放热系数是指混凝土表面与空气热交换的快慢，其大小主要受风速影响，常可用公式(2)、(3)计算：

粗糙平面：β=23.9+14.50va

(2)

光滑平面：β=21.8+13.53va

(3)

式(2)(3)中，va表示风速，m/s；β为放热系数，kJ/(m2·h·℃)。

混凝土表面为粗糙平面，根据上述已知的各月份风速，利用公式(3)计算可得1月份、4月份、7月份、10月份的混凝土放热系数分别为63.05、57.25、55.80、64.50 kJ/(m2·h·℃)。

2.1.3 环境温度

环境温度直接根据武汉地区月平均气温取值，计算时假定环境温度为常量，1月份、4月份、7月份、10月份的环境温度分别为21.6、27、29、24 ℃。

2.2 主要计算参数

本文主要研究不同季节下的环境温度、风速、浇筑温度对混凝土温度场的影响，其余计算参数根据现场实测数据与理论计算取值，1月份、4月份、7月份、10月份其余计算参数取值相同。利用MIDAS FEA有限元软件分析混凝土温度场时，主要计算参数见表3，边缘支撑、对接条件等混凝土和地基的边界条件均按实际情况设置。

表3 主要计算参数

2.3 有限元模型

参数设置完毕后，定义施工阶段以及分析工况，即可完成建模，基础的仿真实体模型计算浇筑后400 h内的温度变化及应力发展，以A点(7.8 m厚)为参考点，分析其表面、中部、底部位置温度场及温度应力在不同季节下的变化情况，如图1所示。

图1 基础模型图

3 温度场分析

有限元软件计算完成后，筏板基础A测点表面、中心、底部位置在各季节的温度场以及A测点附近内外温差如图2所示。

由图2可以看出，各季节在表面、中心、底部位置的温度曲线符合大体积混凝土温度变化特征且曲线变化趋势大致相同。1月份、4月份、7月份、10月份的表面对流系数相差不多，因此混凝土放热速度变化不大。各季节混凝土内外温差曲线相似，温差峰值分别为48.0、48.96、48.81、49.63 ℃。本研究中，气温与浇筑温度基本相同且混凝土未采取表面保温措施，各季节混凝土表面放热快，温度曲线较平缓，而混凝土导热性差，内部散热慢、温度高，不采取表面保温会增大混凝土的内外温差，侧面验证了大体积混凝土表面保温的重要性；底部混凝土降温最慢，在整个降温阶段的降温速度变化不大。各季节混凝土内部最高温度分别为75.06、80.46、82.46、77.46 ℃，降温阶段表现为前期温度下降较快，后期表里温差越小，内部降温越慢；混凝土内部最高温度与浇筑温度成正比，浇筑温度越高，温度峰值越大，7月份混凝土最高温度比1月份高约7.5 ℃。温度场分析结果表明，三亚地区全年平均温度均较高，冬季的环境温度、对流系数、入模温度对大体积混凝土的温度控制更有利，大体积混凝土的浇筑施工可选择在冬季进行。

图2 各季节温度场和内外温差

4 温度应力分析

上述A测点温度场对应的混凝土表面、中心、底部位置的温度应力如图3所示。

图3 各季节温度应力与允许应力

相同季节内混凝土表面、中心、底部位置的允许应力不同，且相同位置不同季节的允许应力也不同，但差别不大，总体表现为相同季节中心允许应力增长最快，表面允许应力增长最慢；不同季节下，夏季允许应力增长最快，冬季最慢，最终逐渐趋于一致。各季节表面应力变化曲线相似，但相同时间对应的应力值不同，即使各季节内外温差基本相同，然而不同季节温度应力极值相差很大，1月份、4月份、7月份、10月份的拉应力极值均出现在表面位置，分别为2.62、3.18、4.35、3.56 N/mm2。且夏季在混凝土浇筑后16～112 h内温度应力超过允许应力，冬季在混凝土浇筑后20～88 h内温度应力超过允许应力，夏季更容易在混凝土表面位置出现裂缝。各季节中心位置均表现为浇筑后一段时间内受压，随着温度应力的增大，中心位置开始受拉并在110 h左右达到峰值；伴随着混凝土的降温，温度应力逐渐减小，各季节中心应力基本都低于允许应力，混凝土开裂可能较小；各季节底部位置基本处于受压状态，一般不会出现裂缝。综上可见，不同季节浇筑的大体积混凝土表面位置容易开裂，应及时采取保温防裂措施；混凝土在夏季浇筑时温度应力最大，也最容易开裂，冬季浇筑的大体积混凝土温度应力最较小，开裂概率相对较低，因此三亚地区可选择在冬季浇筑大体积混凝土。

5 结 论

(1)各季节温度曲线变化趋势大致相同，混凝土各位置温度在夏季最高，在冬季最低。在未采取其他温控措施的情况下，各季节表面散热都很快，温度下降大致呈一条平直线；底部位置降温最慢，且降温速度变化不大；冬季施工时，大体积混凝土筏板基础的温度峰值、温差较小，有利于混凝土的温度控制。

(2)相同季节内混凝土不同位置的允许应力不同，且相同位置不同季节的允许应力也不同，但差别不大，且随着时间的增长逐渐趋于一致。

(3)各季节混凝土内外温差大致相同，但与之对应的温度应力大小差别较大，夏季时温度应力最高，冬季最低。在不采取保温措施的情况下，各季节表面位置易出现裂缝；此外，与其他季节相比，夏季浇筑的大体积混凝土更易开裂，冬季浇筑的大体积混凝土开裂概率相对较低。