夏季臺風(fēng)作用下大體積混凝土溫度場演變規(guī)律仿真研究

許 杪

（常州大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

大體積混凝土澆筑產(chǎn)生大量的水化熱，使混凝土溫度升高。不同位置的混凝土由于散熱不均勻，產(chǎn)生溫度梯度，溫度梯度增大到一定程度時會導(dǎo)致溫度應(yīng)力產(chǎn)生，從而破壞混凝土，出現(xiàn)裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全，因此溫度場演變規(guī)律是大體積混凝土的研究熱點。夏雄等[1]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)出筏板基礎(chǔ)大體積混凝土溫度場變化的時空規(guī)律。韓宇聰?shù)萚2]對地鐵車站大體積混凝土溫度場進行監(jiān)測，結(jié)合數(shù)值模擬手段，對車站不同位置處的溫度場、應(yīng)力場進行分析。人工智能的興起為混凝土溫度場的研究提供了新的方法，Liu Y 等[3]在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對混凝土養(yǎng)護期間的溫度場進行了預(yù)測。夏季是臺風(fēng)高發(fā)季，臺風(fēng)經(jīng)過的地方會帶來大量雨水并造成溫度驟降，對混凝土的養(yǎng)護產(chǎn)生不利影響。該文通過數(shù)值模擬對臺風(fēng)出現(xiàn)不同時刻下的大體積混凝土溫度場進行研究，對臺風(fēng)出現(xiàn)時不同溫控措施的效果進行驗證，為夏季臺風(fēng)過境下大體積混凝土的養(yǎng)護措施提供理論基礎(chǔ)和工程建議。

1 工程概況

1.1 工程背景

該項目為南京某研創(chuàng)園工程，總建筑面積30.7 萬m2，其中地上建筑面積約18.2 萬m2，地下建筑面積約12.5 萬m2。1-A#塔樓為綜合辦公樓，建筑高度為78.4m，其筏板基礎(chǔ)板厚度為2m，長為18m，寬為17m，采用C35 混凝土澆筑，水泥牌號為P.O52.5，抗?jié)B等級為P8?；炷僚浜媳纫姳?。

表1 混凝土配合比

1.2 測點布置

大體積混凝土的測點在水平方向上由中心向邊緣處布置，測點的水平間距為2000mm，在垂直方向上間隔500mm布置溫度測點，每個測點在垂直方向上共3 個測溫布置點。

2 數(shù)值模擬驗證

2.1 基本假定

相關(guān)學(xué)者[4-7]通過數(shù)值模擬對大體積混凝土澆筑的入模溫度、澆筑方式、保溫層厚度等因素進行研究，提出了合理假設(shè)，取得了明顯收效。由于影響高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土開裂的因素很多，因此該文在實際計算中進行以下假定[8]：1）假定混凝土為均質(zhì)的各向同性材料，溫度場范圍內(nèi)材料的特性不隨溫度的變化而發(fā)生改變。2）熱源的放熱率是時間的函數(shù)，而與空間變量無關(guān)。3）將基礎(chǔ)看成一個整體，不考慮其施工過程中的分層、非連續(xù)澆搗以及鋼筋的傳熱等因素。

2.2 計算理論

混凝土溫度計算采用《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496—2018）給出的絕熱溫升的計算式[9]，如公式（1）所示。

式中：T（t）為混凝土齡期為t時的絕熱溫升，℃；W為每立方米混凝土的膠凝材料用量，kg/m3；C為混凝土的比熱容，可取0.92kJ（/ kg·℃）～1.0kJ（/ kg·℃）；ρ為混凝土的質(zhì)量密度，取2400kg/m3～2500 kg/m3；m為與水泥品種、用量和入模溫度等有關(guān)的單方膠凝材料對應(yīng)系數(shù)；t為混凝土齡期，d。

2.3 邊界條件

混凝土底部鋪有防水卷材，防水卷材下部有薄墊層以及土壤，由于防水卷材和墊層很薄，因此將防水卷材和墊層設(shè)置成薄板與下部土壤換熱。混凝土四周為磚模，將模板設(shè)置成薄板與土壤換熱?；炷另敳夸佊兴芰媳∧?，將塑料薄膜設(shè)置成薄板與大氣水平對流換熱。

2.4 模擬參數(shù)取值

根據(jù)測溫單元的檢測結(jié)果，可以對混凝土的土壤溫度和入模溫度進行合理取值，同時對混凝土周邊環(huán)境溫度的取值根據(jù)一天中的最高和最低溫度設(shè)計正弦函數(shù)：，t 為時間，h。該工程項目位于江蘇省，因此設(shè)計臺風(fēng)持續(xù)影響24h。對比江蘇省歷年臺風(fēng)過境前后均溫的變化，取空氣溫度降低6℃，臺風(fēng)過后環(huán)境溫度與臺風(fēng)來臨之前一致，臺風(fēng)影響過程中保溫層表面環(huán)境相對濕度為0.98。考慮筏板基礎(chǔ)位于地面以下，風(fēng)力減弱，以5 級風(fēng)設(shè)計，保溫層表面為強制對流，平均風(fēng)速設(shè)計為8m/s。

2.5 模型的研究

圖1 為測點4 頂部實測溫度與模擬溫度變化曲線，由圖1 可見，測點4 頂部的溫度模擬值與實測值都表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，最后逐漸趨于平緩，最高溫度都出現(xiàn)在混凝土澆筑后70h 附近處。對比模擬值與實測值，頂部最高溫度相差5.1%，由于模擬時采用了相關(guān)假定，數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果變化趨勢一致，數(shù)值基本吻合。

圖1 測點4 頂部溫度實測值與模擬值對比

3 臺風(fēng)對大體積混凝土溫度場的影響

3.1 臺風(fēng)出現(xiàn)時刻對溫度場的影響

通過數(shù)值模擬，對臺風(fēng)出現(xiàn)在大體積混凝土澆筑完成后進行養(yǎng)護的第三天、第五天、第八天、第十二天、第十五天以及不出現(xiàn)臺風(fēng)的情況，分析不同測點處溫度與時間的關(guān)系。圖2 為臺風(fēng)出現(xiàn)不同時刻5 號測點頂部溫度變化曲線，從圖2 中可以看出，當(dāng)臺風(fēng)出現(xiàn)時，混凝土頂部溫度急劇下降，臺風(fēng)出現(xiàn)4h 后，下降幅度減緩。臺風(fēng)結(jié)束后，混凝土頂部溫度開始升高，并逐漸與外部環(huán)境達到動態(tài)平衡。圖3 為臺風(fēng)出現(xiàn)不同時間溫差變化曲線，由圖中可知，臺風(fēng)的出現(xiàn)會使溫差顯著增加，臺風(fēng)在混凝土澆筑后出現(xiàn)的越早，溫差越大。

圖2 臺風(fēng)出現(xiàn)不同時間5 號測點頂部溫度變化曲線

圖3（a）中臺風(fēng)出現(xiàn)在混凝土澆筑完成后養(yǎng)護的第三天、第五天、第八天、第十二天、第十五天時，其最大溫差分別為35.61℃、33.9℃、28.73℃、22.53℃、18.9℃。但是并非在臺風(fēng)結(jié)束后混凝土的最大溫差就在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，而是在混凝土頂部升溫的過程中，最大溫差依然會出現(xiàn)高于25℃的情況，而臺風(fēng)出現(xiàn)得越晚，該現(xiàn)象越不明顯，在養(yǎng)護14 天后出現(xiàn)臺風(fēng)對溫度場的影響在安全范圍內(nèi)?；炷敛煌课坏淖畲鬁夭钜膊灰粯樱瑢Ρ葓D3（a）與圖3（b），混凝土水平方向中心處的最大溫差大于混凝土邊緣處的最大溫差。在混凝土澆筑十二天后，混凝土邊緣處的最大溫差為22.53℃，小于25℃；混凝土水平方向中心處的最大溫差為25.46℃，大于25℃。由此可知，當(dāng)臺風(fēng)過境時，對混凝土水平方向中心處頂部的溫度監(jiān)測應(yīng)適當(dāng)加強，臺風(fēng)在混凝土澆筑后出現(xiàn)得越晚，對混凝土的養(yǎng)護越有利。

圖3 臺風(fēng)出現(xiàn)不同時間不同測點溫差變化曲線

3.2 臺風(fēng)風(fēng)速對溫度場的影響

混凝土表面的風(fēng)會加快混凝土與外界的換熱，對混凝土澆筑后不同風(fēng)速作用下1 號測點溫差變化進行模擬，結(jié)果表明，最大溫差隨風(fēng)速增加而變大，當(dāng)風(fēng)速分別為6m/s、8m/s、10m/s 時，其最大溫差分別為34.57℃、35.56℃、36.23℃，均超過25℃，且與風(fēng)速不呈線性關(guān)系。由上述分析可知，臺風(fēng)對混凝土最大溫差的影響比較明顯，超出了規(guī)范允許值25℃，因此需要對臺風(fēng)天大體積混凝土的保溫措施和效果應(yīng)進行研究。

4 混凝土保護層厚度對溫度場的影響

對不同保溫層厚度作用下的1 號測點溫度場變化規(guī)律進行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，保溫層厚度從0.3mm 增至2cm，對最高溫度的影響不大，極值點處降低的數(shù)值僅有1.4℃，最大變化不超過1℃，最高溫度維持在約60℃。保溫層厚度增加對混凝土表面的最低溫度影響較大，當(dāng)保溫層厚度分別為0.3cm、0.5cm、1.0cm、2.0cm 時，其最低溫度分別為24.44℃、27.02℃、29.77℃、34.25℃，增加幅度達到40.2%，在24h 內(nèi)尤為顯著，說明混凝土保護層厚度越厚，混凝土表面溫度越高，保溫層對溫度控制的作用表現(xiàn)得極為顯著。

5 結(jié)論

為研究夏季臺風(fēng)作用下大體積混凝土溫度場演變規(guī)律，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對比驗證了數(shù)值仿真的可靠性，通過數(shù)值模擬對臺風(fēng)出現(xiàn)不同時刻和不同風(fēng)速條件下的大體積混凝土溫度場進行仿真研究，主要結(jié)論如下：1）臺風(fēng)的出現(xiàn)對混凝土的表面溫度影響顯著。臺風(fēng)在混凝土澆筑完成后出現(xiàn)得越早，混凝土內(nèi)部的溫差越大。臺風(fēng)在澆筑后第3 天出現(xiàn)最大溫差比第15 天出現(xiàn)的最大溫差大16.71℃。2）風(fēng)速增加會增大混凝土的最大溫差，當(dāng)風(fēng)速從6m/s 增至10m/s 時，混凝土最大溫差增大1.66℃，但最大溫差與風(fēng)速增加值不呈線性關(guān)系。3）增加混凝土表面的保溫層厚度可以降低臺風(fēng)對溫度場的影響，保溫層厚度從0.3mm 增至2cm，1 號測點混凝土表面溫度由24.44℃增至34.25℃，增加幅度為40.1%。