不同厚度大體積混凝土底板溫度場(chǎng)的相互影響

張新，王夢(mèng)瑤，鄭永峰

(山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

0 引言

近年來，由于城市用地的限制，我國(guó)高層建筑逐漸增多，施工過程中產(chǎn)生了許多技術(shù)難題，其中大體積混凝土基礎(chǔ)底板的溫度控制就是其中之一。大體積混凝土由于體積較大，水化熱積聚在混凝土內(nèi)部不易散發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)外溫差較大，極易產(chǎn)生混凝土溫度裂縫，從而影響到結(jié)構(gòu)安全。國(guó)內(nèi)外對(duì)于大體積混凝土的研究較多，唐際宇等[1]和劉睫等[2]利用ANSYS軟件對(duì)大體積混凝土基礎(chǔ)底板溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，表明采用有限元軟件對(duì)混凝土基礎(chǔ)底板的溫度場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析是可行的。王強(qiáng)等[3]通過ABAQUS的二次開發(fā)定義混凝土澆筑過程中水化熱的產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。王江鋒等[4]利用ANSYS建立了實(shí)體有限元溫度場(chǎng)分析模型，研究了暗涵墻體溫度場(chǎng)的分布變化規(guī)律。Klemczak等[5-6]討論了早期大體積混凝土溫度應(yīng)力的問題，并對(duì)混凝土水化熱進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。張寧等[7]通過在混凝土箱梁模型上布置溫度測(cè)點(diǎn)，分析混凝土箱梁在水泥水化過程中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。馬建軍等[8]和岳著文等[9]采用MIDAS軟件對(duì)混凝土溫度應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過調(diào)整混凝土水泥用量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。王振宇等[10]和劉亞朋等[11]利用MIDAS軟件基于某實(shí)際工程，研究了不同保溫措施及入模溫度下混凝土的溫度場(chǎng)分布情況。李少波等[12]通過ANSYS分析了不同邊界約束強(qiáng)度和混凝土保護(hù)層厚度對(duì)地鐵車站混凝土側(cè)墻溫度場(chǎng)分布的影響。綜上所述，采用ANSYS、MIDAS、ABAQUS等有限元軟件對(duì)大體積混凝土的溫度場(chǎng)進(jìn)行理論計(jì)算，其結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。

目前對(duì)大體積混凝土溫度場(chǎng)的研究和實(shí)測(cè)主要針對(duì)同一厚度尺寸的混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)不同厚度大體積混凝土基礎(chǔ)底板溫度場(chǎng)之間相互影響的研究較少。由于功能分區(qū)不同，同一個(gè)高層建筑的大體積混凝土基礎(chǔ)底板厚度往往存在多種不同的尺寸，不同厚度的混凝土基礎(chǔ)底板在施工過程中溫度場(chǎng)會(huì)相互影響，與單一厚度的混凝土板的溫度場(chǎng)有很大的區(qū)別和變化。因此，文章結(jié)合濟(jì)南地區(qū)一些高層建筑的基礎(chǔ)底板厚度，建立了4種不同尺寸厚度的大體積混凝土底板組合模型，通過數(shù)值模擬研究不同厚度混凝土基礎(chǔ)底板溫度場(chǎng)的相互影響規(guī)律，與某實(shí)際工程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)分析相鄰不同厚度大體積混凝土基礎(chǔ)底板溫度場(chǎng)的相互影響規(guī)律，研究成果為類似工程的實(shí)踐應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 不同厚度的混凝土底板溫度場(chǎng)數(shù)值分析

1.1 研究方法

結(jié)合實(shí)際工程，選取7.0、5.0、4.0、3.0 m 等 4種不同厚度的混凝土底板為理論計(jì)算模型，以7.0 m厚混凝土板為基礎(chǔ)，與其他3種尺寸底板進(jìn)行組合，組合方式有4種，組合1為單一厚度為7.0 m的混凝土底板模型，組合2、3、4為7.0 m厚混凝土底板模型分別與5.0、4.0、3.0 m厚混凝土底板模型的組合。模型平面尺寸均為10 m×10 m。混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比表

進(jìn)行溫度場(chǎng)分析計(jì)算時(shí)，以7.0 m厚混凝土板為基礎(chǔ)，研究相鄰不同厚度板對(duì)其影響。深度方向D選取 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 m，不同厚度交界位置L選取 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m。 混凝土底板不同位置示意圖如圖1所示。

圖1 混凝土底板不同位置示意圖/m

1.2 計(jì)算參數(shù)選取

(1)假定混凝土初始溫度為20℃。

(2)根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]確定混凝土參數(shù)取值，混凝土密度為2 400 kg/m3，比熱容為 960 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為254 400 J/(m·d·℃)。

(3)混凝土在澆筑過程中，底面與土壤接觸散熱較慢，側(cè)面為12 mm厚的覆面竹膠合板，上表面采取一定的保溫措施，同時(shí)受風(fēng)速影響。通過定義對(duì)流系數(shù)來模擬基礎(chǔ)底板澆筑過程中混凝土表面的散熱情況，取值以文獻(xiàn)[14]為計(jì)算依據(jù)。計(jì)算時(shí)，上表面、側(cè)面及底面對(duì)流系數(shù)分別為1 987 200、858 462和 103 680 J/(m2·d·℃)。

1.3 模型建立

采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)不同厚度的大體積混凝土的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。熱分析采用實(shí)體SOLID70單元，網(wǎng)格劃分采用映射劃分的方法，模型單元各方向尺寸均為0.5 m。模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。大體積混凝土采取分層澆筑施工方式，數(shù)值模擬中采用生死單元模擬混凝土分層澆筑的情況。

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖/m

1.4 水化熱計(jì)算

在進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值模擬時(shí)，假定混凝土為均質(zhì)材料且材料特性不隨溫度改變；結(jié)構(gòu)在溫度作用下處于彈性變形范圍；水泥水化過程中，時(shí)間是自變量，放熱量隨時(shí)間發(fā)生改變。采用指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)水泥水化放熱進(jìn)行數(shù)值模擬，由式(1)表示為

式中:Q(t)為每kg水泥累計(jì)水化熱，kJ/kg；t為混凝土齡期，取 30 d；Q0為每 kg水泥散熱量，取375 kJ/kg；m為水化熱系數(shù)，取 0.362[15]。 在ANSYS數(shù)值模擬過程中，需要通過定義混凝土生熱率HGEN把計(jì)算出的水化熱施加在模型上，HGEN由式(2)和(3)表示為

式中:Qh(t)為混凝土中產(chǎn)生的熱量，kJ；W為單位體積混凝土中水泥用量，為470 kg/m3；F為單位體積混凝土中粉煤灰用量，為30 kg/m3；k為折減系數(shù)，對(duì)于粉煤灰取為0.25[2]。聯(lián)立式(1)～(3)，可得HGEN由式(4)表示為

1.5 結(jié)果與分析

1.5.1 溫度曲線及云圖

深度D為1.0 m處不同交界位置處溫度曲線及溫度場(chǎng)云圖如圖3所示；深度D為2.0 m處不同交界位置處溫度曲線及溫度場(chǎng)云圖如圖4所示；交界位置L為0.5 m處不同深度處溫度曲線如圖5所示。

圖3 深度D為1 m處不同交界位置處溫度曲線及溫度場(chǎng)云圖

圖4 深度D為2 m處不同交界位置處溫度曲線及溫度場(chǎng)云圖

圖5 交界位置L為0.5 m處不同深度處溫度曲線圖

由圖3～5分析可知，在D為1.0 m且L為0.5 m處，組合 1、2、3、4 的最高溫度分別為 50.00、63.18、63.64、63.73℃；在L為1.0 m處，其值分別為57.42、63.34、63.67、63.74℃；在L為1.5 m 處，其值分別為61.03、63.48、63.69、63.74 ℃；在L為 2.0 m 處，其值分別為62.51、63.60、63.71、63.74 ℃；在L為 2.5 m處，其值分別為63.07、63.67、63.73、63.75 ℃。 在D為2.0 m處，其溫度變化趨勢(shì)與D為1.0 m處相同，最高溫度有所提高。在D為3.0、4.0、5.0 m處，由于相鄰混凝土板厚不同，溫度變化趨勢(shì)有所不同。

1.5.2 理論分析

通過4種不同組合的混凝土溫度變化曲線可以看出，在相鄰混凝土板交界處不同深度、不同水平距離等方面，混凝土溫度變化不同，具體分析如下:

(1)相鄰混凝土板對(duì)7.0 m厚混凝土板的溫度影響在交界處較大。如在L為0.5 m處且D為1.0 m時(shí)，組合2與組合1相比，溫度提高13.2℃；D為2.0 m時(shí)，溫度提高17.8℃；D為3.0 m時(shí)，溫度提高8.9℃；D為4.0 m時(shí)，溫度提高0.7℃。

(2)相鄰混凝土板厚度不同對(duì)7.0 m厚混凝土板的溫度影響不同。在D為2.0 m且L為0.5 m處，組合2比組合1的溫度提高了17.8℃，組合3比組合1的溫度提高了21.0℃，組合4比組合1的溫度提高了22.0℃。隨著混凝土板厚度的增加，不同厚度混凝土板之間溫度場(chǎng)相互影響在增大。

(3)相鄰混凝土板在水平方向?qū)?.0 m厚混凝土板的溫度影響不同。如在D為1.0 m處且L分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m時(shí)，組合3與組合1相比，溫度分別提高了13.6、6.2、2.6和1.2℃。隨著L的逐漸增大，組合1與其他組合模型的溫差在減小，即不同厚度混凝土板之間溫度場(chǎng)的相互影響逐漸減小。

(4)相鄰混凝土板交界處混凝土最高溫度出現(xiàn)的位置不同。組合1、2分別在D為2.0 m處達(dá)到最高溫度；組合3、4在D為3.0 m處達(dá)到最高溫度。相鄰混凝土板交界處最高溫度出現(xiàn)在交界深度中間偏下的位置。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

2.1 工程概況

濟(jì)南某實(shí)際項(xiàng)目核心筒筏板厚度不一致，厚度分別為7.0、5.0、3.0 m處，較為復(fù)雜?；炷烈淮涡詽仓瓿?，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，對(duì)其進(jìn)行混凝土澆筑過程中溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)溫度實(shí)測(cè)。

2.2 溫度測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)需具有代表性，考慮到相鄰不同厚度混凝土之間的相互影響，布設(shè)測(cè)溫點(diǎn)時(shí)相鄰不同厚度混凝土交界位置為重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域。測(cè)溫點(diǎn)平面布置如圖6所示。從大體積混凝土深度斷面考慮，1、3號(hào)測(cè)溫點(diǎn)布置5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其余測(cè)溫點(diǎn)均布置上、中、下3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其中A、B、C、D、E表示同一測(cè)溫點(diǎn)的不同深度斷面，n為測(cè)溫點(diǎn)號(hào)，具體布置如圖7所示。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫點(diǎn)安裝如圖8所示。

圖6 測(cè)溫點(diǎn)布置平面圖/m

圖7 測(cè)溫點(diǎn)布置立面圖/m

圖8 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫點(diǎn)安裝圖

2.3 自動(dòng)測(cè)溫方法

(1)自動(dòng)測(cè)溫設(shè)備簡(jiǎn)介

測(cè)溫采用GTT-1型電阻式溫度計(jì)，在鋼筋綁扎過程中埋設(shè)，埋設(shè)時(shí)利用膠帶或扎絲依據(jù)設(shè)計(jì)位置將其固定在豎向鋼筋上。該儀器具有可靠的防水構(gòu)造、高穩(wěn)定性及高靈敏度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝便捷。采集方式依靠MCU32自動(dòng)采集系統(tǒng)，自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程無線傳輸數(shù)據(jù)到互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)查看測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。

(2)自動(dòng)測(cè)溫方法

在自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定溫度采集間隔時(shí)間，利用電阻式溫度計(jì)測(cè)量大體積混凝土內(nèi)部溫度，溫度用數(shù)據(jù)線傳輸?shù)阶詣?dòng)采集箱，通過無線發(fā)射器上傳到云平臺(tái)，可實(shí)時(shí)查看溫度數(shù)據(jù)。溫度自動(dòng)采集箱和自動(dòng)測(cè)溫流程分別如圖9、10所示。

圖9 溫度自動(dòng)采集箱圖

圖10 自動(dòng)測(cè)溫流程圖

2.4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

1、3號(hào)測(cè)溫點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)見表 2。 1、2、3號(hào)測(cè)溫點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度曲線如圖11所示。

表2 溫度實(shí)測(cè)值表

圖11 各測(cè)溫點(diǎn)不同深度處實(shí)測(cè)溫度曲線圖

根據(jù)圖11分析可知:

對(duì)于1號(hào)測(cè)溫點(diǎn)，A1處在混凝土澆筑完成第2天達(dá)到最高溫度為49.1℃，B1處在第3天達(dá)到最高溫度為59.8℃，C1處在第4天達(dá)到最高溫度為68.0℃，D1處在第2天達(dá)到最高溫度為57.2℃，E1處在第1天達(dá)到最高溫度為51.1℃，在整個(gè)混凝土澆筑過程中內(nèi)外溫差最大為12.9℃。最高溫度出現(xiàn)在D為2.0 m處，混凝土澆筑過程中單塊板最高溫度一般出現(xiàn)在混凝土中間位置，由于3.0 m板和7.0 m板頂標(biāo)高相同，受3.0 m厚混凝土板影響，導(dǎo)致混凝土上部溫度升高。

對(duì)于2號(hào)測(cè)溫點(diǎn)，A2處在混凝土澆筑完成第2天達(dá)到最高溫度為50.2℃，D2處在第5天達(dá)到最高溫度為70.7℃，E2處在第2天達(dá)到最高溫度為62.5℃，在整個(gè)混凝土澆筑過程中內(nèi)外溫差最大為23.2℃。

對(duì)于3號(hào)測(cè)溫點(diǎn)，A3處在混凝土澆筑完成第3天達(dá)到最高溫度為50.3℃，B3處在第2天達(dá)到最高溫度為59.8℃，C3處在第5天達(dá)到最高溫度為72.9℃，D3處在第4天達(dá)到最高溫度為73.2℃，E3處在第2天達(dá)到最高溫度為67.8℃，在整個(gè)混凝土澆筑過程中內(nèi)外溫差最大為24.5℃。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比分析

混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的對(duì)比曲線如圖12所示。

圖12 各測(cè)溫點(diǎn)不同深度處實(shí)測(cè)溫度與數(shù)值模擬對(duì)比曲線圖

根據(jù)圖12對(duì)比分析可知:

在D為1.0 m處，測(cè)溫點(diǎn)1、2、3號(hào)混凝土實(shí)測(cè)最高溫度分別為59.8、60.5、59.8℃，數(shù)值模擬最高溫度分別為63.2、63.6、63.8℃。兩者相比，模擬值依次降低3.4、3.1、4.0℃；在D為2.0 m處，實(shí)測(cè)與模擬的差值同D為1.0 m處的差值基本一致。

數(shù)值分析結(jié)果略高于實(shí)測(cè)結(jié)果，原因在于:實(shí)際施工過程中布置冷卻水管進(jìn)行降溫，測(cè)溫點(diǎn)距離冷卻水管約0.5～1.0 m，測(cè)溫點(diǎn)處影響較??；冷卻水管進(jìn)水溫度與混凝土中心最高溫度之差不得超過25℃[16]，施工季節(jié)為冬季，當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到50℃時(shí)，冷卻水停止，避免水管處溫差過大，出現(xiàn)內(nèi)部裂縫。因此數(shù)值模擬沒有考慮冷卻水管的降溫作用，導(dǎo)致模擬數(shù)值和實(shí)測(cè)數(shù)值有一定的偏差。

4 結(jié)論

高層建筑的基礎(chǔ)底板通常屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，同一個(gè)高層建筑的基礎(chǔ)底板往往存在多種不同尺寸，由于板厚不同，板的溫度場(chǎng)也不同，相鄰不同厚度的混凝土基礎(chǔ)底板溫度場(chǎng)會(huì)相互影響，對(duì)施工過程的控制帶來一定的施工難題。文章以數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)相鄰不同厚度大體積混凝土的溫度場(chǎng)相互影響進(jìn)行研究，得出結(jié)論如下:

(1)相鄰不同厚度大體積混凝土基礎(chǔ)底板溫度場(chǎng)相互影響在交界處較大。不同厚度相互組合的混凝土板較單一厚度的混凝土板而言，溫度在交界處有明顯提高。

(2)相鄰混凝土板越厚，不同厚度板溫度場(chǎng)相互影響越大。

(3)水平方向距離不同厚度大體積混凝土基礎(chǔ)底板交界位置越遠(yuǎn)，溫度場(chǎng)之間的相互影響越小，以7 m厚板分別與3.0、4.0、5.0 m厚板組合的情況下，影響范圍約為2.0～3.0 m。

(4)由于相鄰不同厚度大體積混凝土底板之間的相互影響，交界處板的最高溫度未出現(xiàn)在交界處中間位置，出現(xiàn)在交界深度中間偏下的位置。