夏季台风作用下大体积混凝土温度场演变规律仿真研究

许 杪

（常州大学城市建设学院，江苏 常州 213164）

大体积混凝土浇筑产生大量的水化热，使混凝土温度升高。不同位置的混凝土由于散热不均匀，产生温度梯度，温度梯度增大到一定程度时会导致温度应力产生，从而破坏混凝土，出现裂缝，影响结构安全，因此温度场演变规律是大体积混凝土的研究热点。夏雄等[1]根据现场监测数据总结出筏板基础大体积混凝土温度场变化的时空规律。韩宇聪等[2]对地铁车站大体积混凝土温度场进行监测，结合数值模拟手段，对车站不同位置处的温度场、应力场进行分析。人工智能的兴起为混凝土温度场的研究提供了新的方法，Liu Y 等[3]在大量数据的基础上通过神经网络模型对混凝土养护期间的温度场进行了预测。夏季是台风高发季，台风经过的地方会带来大量雨水并造成温度骤降，对混凝土的养护产生不利影响。该文通过数值模拟对台风出现不同时刻下的大体积混凝土温度场进行研究，对台风出现时不同温控措施的效果进行验证，为夏季台风过境下大体积混凝土的养护措施提供理论基础和工程建议。

1 工程概况

1.1 工程背景

该项目为南京某研创园工程，总建筑面积30.7 万m2，其中地上建筑面积约18.2 万m2，地下建筑面积约12.5 万m2。1-A#塔楼为综合办公楼，建筑高度为78.4m，其筏板基础板厚度为2m，长为18m，宽为17m，采用C35 混凝土浇筑，水泥牌号为P.O52.5，抗渗等级为P8。混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

1.2 测点布置

大体积混凝土的测点在水平方向上由中心向边缘处布置，测点的水平间距为2000mm，在垂直方向上间隔500mm布置温度测点，每个测点在垂直方向上共3 个测温布置点。

2 数值模拟验证

2.1 基本假定

相关学者[4-7]通过数值模拟对大体积混凝土浇筑的入模温度、浇筑方式、保温层厚度等因素进行研究，提出了合理假设，取得了明显收效。由于影响高层建筑基础大体积混凝土开裂的因素很多，因此该文在实际计算中进行以下假定[8]：1）假定混凝土为均质的各向同性材料，温度场范围内材料的特性不随温度的变化而发生改变。2）热源的放热率是时间的函数，而与空间变量无关。3）将基础看成一个整体，不考虑其施工过程中的分层、非连续浇捣以及钢筋的传热等因素。

2.2 计算理论

混凝土温度计算采用《大体积混凝土施工规范》（GB 50496—2018）给出的绝热温升的计算式[9]，如公式（1）所示。

式中：T（t）为混凝土龄期为t时的绝热温升，℃；W为每立方米混凝土的胶凝材料用量，kg/m3；C为混凝土的比热容，可取0.92kJ（/ kg·℃）～1.0kJ（/ kg·℃）；ρ为混凝土的质量密度，取2400kg/m3～2500 kg/m3；m为与水泥品种、用量和入模温度等有关的单方胶凝材料对应系数；t为混凝土龄期，d。

2.3 边界条件

混凝土底部铺有防水卷材，防水卷材下部有薄垫层以及土壤，由于防水卷材和垫层很薄，因此将防水卷材和垫层设置成薄板与下部土壤换热。混凝土四周为砖模，将模板设置成薄板与土壤换热。混凝土顶部铺有塑料薄膜，将塑料薄膜设置成薄板与大气水平对流换热。

2.4 模拟参数取值

根据测温单元的检测结果，可以对混凝土的土壤温度和入模温度进行合理取值，同时对混凝土周边环境温度的取值根据一天中的最高和最低温度设计正弦函数：，t 为时间，h。该工程项目位于江苏省，因此设计台风持续影响24h。对比江苏省历年台风过境前后均温的变化，取空气温度降低6℃，台风过后环境温度与台风来临之前一致，台风影响过程中保温层表面环境相对湿度为0.98。考虑筏板基础位于地面以下，风力减弱，以5 级风设计，保温层表面为强制对流，平均风速设计为8m/s。

2.5 模型的研究

图1 为测点4 顶部实测温度与模拟温度变化曲线，由图1 可见，测点4 顶部的温度模拟值与实测值都表现为先增加后降低的趋势，最后逐渐趋于平缓，最高温度都出现在混凝土浇筑后70h 附近处。对比模拟值与实测值，顶部最高温度相差5.1%，由于模拟时采用了相关假定，数值计算结果与实测结果变化趋势一致，数值基本吻合。

图1 测点4 顶部温度实测值与模拟值对比

3 台风对大体积混凝土温度场的影响

3.1 台风出现时刻对温度场的影响

通过数值模拟，对台风出现在大体积混凝土浇筑完成后进行养护的第三天、第五天、第八天、第十二天、第十五天以及不出现台风的情况，分析不同测点处温度与时间的关系。图2 为台风出现不同时刻5 号测点顶部温度变化曲线，从图2 中可以看出，当台风出现时，混凝土顶部温度急剧下降，台风出现4h 后，下降幅度减缓。台风结束后，混凝土顶部温度开始升高，并逐渐与外部环境达到动态平衡。图3 为台风出现不同时间温差变化曲线，由图中可知，台风的出现会使温差显著增加，台风在混凝土浇筑后出现的越早，温差越大。

图2 台风出现不同时间5 号测点顶部温度变化曲线

图3（a）中台风出现在混凝土浇筑完成后养护的第三天、第五天、第八天、第十二天、第十五天时，其最大温差分别为35.61℃、33.9℃、28.73℃、22.53℃、18.9℃。但是并非在台风结束后混凝土的最大温差就在标准范围内，而是在混凝土顶部升温的过程中，最大温差依然会出现高于25℃的情况，而台风出现得越晚，该现象越不明显，在养护14 天后出现台风对温度场的影响在安全范围内。混凝土不同部位的最大温差也不一样，对比图3（a）与图3（b），混凝土水平方向中心处的最大温差大于混凝土边缘处的最大温差。在混凝土浇筑十二天后，混凝土边缘处的最大温差为22.53℃，小于25℃；混凝土水平方向中心处的最大温差为25.46℃，大于25℃。由此可知，当台风过境时，对混凝土水平方向中心处顶部的温度监测应适当加强，台风在混凝土浇筑后出现得越晚，对混凝土的养护越有利。

图3 台风出现不同时间不同测点温差变化曲线

3.2 台风风速对温度场的影响

混凝土表面的风会加快混凝土与外界的换热，对混凝土浇筑后不同风速作用下1 号测点温差变化进行模拟，结果表明，最大温差随风速增加而变大，当风速分别为6m/s、8m/s、10m/s 时，其最大温差分别为34.57℃、35.56℃、36.23℃，均超过25℃，且与风速不呈线性关系。由上述分析可知，台风对混凝土最大温差的影响比较明显，超出了规范允许值25℃，因此需要对台风天大体积混凝土的保温措施和效果应进行研究。

4 混凝土保护层厚度对温度场的影响

对不同保温层厚度作用下的1 号测点温度场变化规律进行数值模拟研究，结果表明，保温层厚度从0.3mm 增至2cm，对最高温度的影响不大，极值点处降低的数值仅有1.4℃，最大变化不超过1℃，最高温度维持在约60℃。保温层厚度增加对混凝土表面的最低温度影响较大，当保温层厚度分别为0.3cm、0.5cm、1.0cm、2.0cm 时，其最低温度分别为24.44℃、27.02℃、29.77℃、34.25℃，增加幅度达到40.2%，在24h 内尤为显著，说明混凝土保护层厚度越厚，混凝土表面温度越高，保温层对温度控制的作用表现得极为显著。

5 结论

为研究夏季台风作用下大体积混凝土温度场演变规律，利用监测数据对比验证了数值仿真的可靠性，通过数值模拟对台风出现不同时刻和不同风速条件下的大体积混凝土温度场进行仿真研究，主要结论如下：1）台风的出现对混凝土的表面温度影响显著。台风在混凝土浇筑完成后出现得越早，混凝土内部的温差越大。台风在浇筑后第3 天出现最大温差比第15 天出现的最大温差大16.71℃。2）风速增加会增大混凝土的最大温差，当风速从6m/s 增至10m/s 时，混凝土最大温差增大1.66℃，但最大温差与风速增加值不呈线性关系。3）增加混凝土表面的保温层厚度可以降低台风对温度场的影响，保温层厚度从0.3mm 增至2cm，1 号测点混凝土表面温度由24.44℃增至34.25℃，增加幅度为40.1%。