大体积混凝土温度裂缝控制及温控效果有限元分析

苗 田 唐靖武

（1.中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307；2.中国建筑第八工程局有限公司，上海 200000）

0 引言

大体积混凝土是指混凝土结构实体的最小几何尺寸≥1m 的大体量混凝土。体积大是其主要特点；除此之外，该类混凝土的表面系数较小，内部升温较快，内外温差较大，体积收缩，从而产生温度裂缝，直接影响其施工质量。因此，为保证大体积混凝土的施工效果，需选择合理的施工技术对温度裂缝进行控制。本文以某学校室内体育用房及游泳馆的基础施工为对象，对大体积混凝土温度裂缝控制方法进行研究，并对温控效果进行有限元分析。

1 工程概况

某学校建设工程，占地面积约33 万m2，总建筑面积约45.7 万m2。主要建设内容为图书馆（编号A1，不含精装修施工），公共教学及实验楼（西楼，编号A2），教师食堂（编号A13,），沿河后勤用房（编号A14），公共教学楼（东楼）及专业教学用房（编号B1），室内体育用房及游泳馆（编号B2），南区学生宿舍研究生一、二号组团（编号B3-B6），南区学生宿舍本科生一、二、三、四号组团（编号B7-B14），食堂（编号B15），及相应的地下空间及通道和该地块内的主要交通道路、堡坎、给排水管网和室外运动场地。

该工程基础采用独立基础、桩承台+抗水板形式，其中室内体育用房及游泳馆基础中承台、下柱墩、部分筏板基础均属于大体积混凝土，采用等级较高的C35与C40 混凝土，总的浇筑量18912.99m³，范围大、体量大，是项目质量管控的重难点之一。混凝土浇筑方量较大，散热性能受到一定影响，其内部温度较高，容易产生较强的温度应力。除此之外，基础中承台的断面尺寸较大，基础承台高度最高达到2.5m，在温度应力下，容易发生早期开裂。因此，该项目应重视大体积混凝土施工技术的研究，确保温度裂缝的有效控制，从而保证整体施工质量和后期应用性能[1]。

2 大体积混凝土温度裂缝控制方法研究

2.1 大体积混凝土原材料配比

该工程的基础承台施工采用C40混凝土，其原材料配比见表1。混凝土在7d、28d、56d 的抗压强度分别为40.68MPa、52.7MPa、59.1MPa，实测密度为2474.8kg/m3。

表1 混凝土原材料配比

2.2 大体积混凝土施工流程

结合工程的实际应用需求，确定大体积混凝土的分层施工方案，该方案主要是对基础承台进行施工，总体施工流程如图1所示。

图1 大体积混凝土施工工艺流程

2.3 大体积混凝土温度裂缝控制方法

由图1 可以看出，整个施工流程分为6 个步骤，分别为温控指标制定、施工前准备、钢筋加工和安装、模板安装、混凝土施工以及裂缝控制。在整个施工步骤中，温控指标制定和裂缝控制为主要施工步骤[2]。

2.3.1 温控指标确定

大体积混凝土施工时，混凝土内部温度影响着混凝土的成型效果，温度控制不当是裂缝形成的主要因素。因此，大体积混凝土温控指标的制定十分重要[3]。

为了避免天气变化影响大体积混凝土的浇筑效果，尽量选择在较好的天气情况下完成混凝土浇筑[4]，并控制好浇筑过程中混凝土的入模温度。同时，施工时的环境温度和浇注体表面之间的温差t1需控制在18℃以内。

大体积混凝土浇筑时的温度下降速率t2需控制在1.5℃/d以内，并且为保证施工工期，现场拆模天数不得超过15d。因此，进行表面最高温度T设定，计算公式为：

式中：N——温度应力值；

t3——拆模阶段表面温度值。

依据公式（1）即可获取大体积混凝土表面温度的最大值，并依据该温度值在混凝土浇筑过程中进行控制，从而为施工裂缝控制奠定基础[5]。

2.3.2 温度裂缝控制方法

温度裂缝控制，关键在于对混凝土的温度进行控制。首先对最大绝热温升T1、混凝土中心温度T2、蓄水保温养护深度H进行分析，三者的计算公式分别为：

式中：M1和M2——混凝土中的不同减水剂含量；

ε——折减系数；

Q——混凝土中水和混凝土相互作用后释放的热量比值；

ρ——混凝土密度；

c——单位升温或者降温下，混凝土吸收或者释放的热量结果；

Ti——混凝土的浇筑温度用表示；

λ(t)——冷却系数；

t′——混凝土维持至设定温度时所需时间；

α——混凝土结构表面系数；

Tmax——最大温度；

γ×η——导热系数。

根据上述3 个公式完成T1、T2、H的计算后，采用膨胀补偿收缩法进行大体积混凝土温度裂缝控制，确保混凝土在钢筋的约束下，其承受的压力、钢筋拉应力、混凝土压应力保持平衡的状态，其计算公式为：

式中：Sc——混凝土面积

Ss——钢筋面积；

σc——混凝土的压应力；

βs——单向应力状态下，混凝土的应变程度；

μ2——混凝土在温度作用下发生的膨胀力。

大体积混凝土表面温度Tb计算公式为：

式中：Tq——大气的平均温度；

h——混凝土厚度；

h′——虚厚度；

ΔT——混凝土中心温度和Tq之间差值。

依据上述公式可计算得出大体积混凝土温差调整结果，依据该结果即可实现混凝土温度控制，以此实现温度裂缝的控制。

3 有限元温控效果分析

3.1 基础承台有限元模型构建

为分析大体积混凝土施工效果和温度裂缝的控制效果，本文采用MIDAS/FEA 软件构建大体积混凝土的基础承台有限元模型，并通过该模型进行大体积混凝土温度场和应力场分析。构建的承台有限元模型部分结构如图2 所示；该模型混凝土材料的比热值为0.96kJ/（kg·℃），导热系数为1.28W/（m·K），对流系数为20.9W/（m·K）。

图2 承台有限元模型部分结构

构建该模型，需结合施工现场环境、混凝土参数等因素设定边界条件：

（1）初始参数：设定大体积混凝土在入模时的温度成均匀状态，即混凝土初始温度即为入模温度。

（2）边界参数：混凝土的导热系数与环境中的风速相关，其表面对流散热满足第三类边界条件。

3.2 大体积混凝土温度场和应力场分析

如果混凝土为均匀状态，并且各向同性，依据能量守恒定律，确定混凝土内部吸收热量与净流入热量一致，即等于混凝土在该时间内温度升高所需的热量，计算公式为：

式中：λ∇2T——混凝土内部热流密度；

F()

x,y,z,t——水化热反应形成的热量；

ΔxΔyΔzΔt()

λ∇2T——混凝土内部传递的热量；

x、y、z——表示三个方向；

T——温升时间。

将上述公式进行简化处理后，得出混凝土的热传导方程，其计算公式为：

依据公式（8）获取混凝土温度场的计算结果，并将其作为初始场，输入应力场的计算中，在此基础上，获取混凝土应变增量计算公式：

4 施工技术应用结果分析

4.1 基础承台温度分布结果分析

在进行基础承台大体积混凝土施工技术和裂缝控制分析时，需精准掌握混凝土的温度分布情况。温度控制前、后的混凝土最高温度分布如图3所示。

由图3（a）可知，在进行施工温度控制前，基础承台结构的温度分布不均匀，存在显著的局部高温情况，其最高温度结果达到6.66207e+001，基础承台的内外温差显著，极易形成温度裂缝；由图3（b）可知，通过本文方法对其进行温度控制后，基础承台结构的温度较为分散，内外温差相对较小，最高温度为4.44701e+001。这说明本文方法的控制效果较好，能够有效调整混凝土施工时内外温差[5]。

4.2 温度应力场分析

施工后一、二级承台的温度应力场和安全系数结果见表2。

表2 一、二级承台的温度应力场和安全系数

由表2 可知，在不同的时间下，一级和二级承台的应力结果均在允许的应力范围内，并且安全系数均在1.45以上，最高安全系数达到2.83。说明本文方法具有较好的温度应力场计算效果，能够准确掌握混凝土温度的变化情况，并对混凝土的温度场进行有效控制，保证其温度场的应力结果符合要求，提升大体积混凝土的施工质量，可避免发生温度裂缝。

4.3 大体积混凝土开裂风险计算

为分析本文方法的控制效果，采用混凝土开裂风险系数ψ作为衡量指标，衡量混凝土在最大主拉应力σ(t)和极限抗拉强度ft(t)的比值，其计算公式为：

当ψ结果大于1 时，表示大体积混凝土会发生开裂；如果0.7 ＜ψ＜ 1，则表示混凝土存在开裂风险；ψ结果小于0.7，则表示混凝土不会发生开裂。

通过本文方法控制后，根据公式（10）计算一级承台和二级承台开裂风险系数ψ，其结果见表3。

表3 大体积混凝土开裂风险测试结果

由表3 可知，随着龄期的逐渐增加，一级承台和二级承台的ψ均在0.7 以下，其中最高值为0.62。这也说明本文方法具有较好的控制效果，大体积混凝土施工后不会发生裂缝，保证施工质量。

5 结束语

大体积混凝土的施工技术对于施工效果存在直接影响。本文通过研究大体积混凝土施工技术和温度裂缝控制方法，并通过建立有限元模型对其在实际生产中的应用效果进行分析，分析结果说明：控制大体积混凝土施工过程中的温度变化，能够降低大体积混凝土发生温度裂缝的可能性，能够有效提升混凝土的施工质量。