筏板基礎(chǔ)大體積混凝土水化熱模擬分析

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-1168

作者簡介：劉新洋（1989—），男，本科，初級-工程師，研究方向?yàn)橥聊竟こ獭?/p>

摘 ?要：大體積混凝土硬化過程中會放出大量熱量形成溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。依托深圳市皇崗口岸站深基坑筏板工程，通過 MIDAS/FEA 對大體積混凝土筏板澆筑后的溫度變化和熱應(yīng)力情況進(jìn)行數(shù)值分析，對比研究不同澆筑方式對大體積混凝土水化熱的影響。研究結(jié)果表明，分段分層斜面澆筑可有效降低大體積混凝土早期溫升，控制表面裂縫的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土 ?筏板基礎(chǔ) ?水化熱 ?分層澆筑 ?仿真模擬

中圖分類號：TU755;TU974

胡桂海使用Midas Civil對大體積混凝土承臺進(jìn)行水化熱模擬計算，并提出了溫控手段[1]。張智通過Midas FEA NX對混凝土橋臺溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬，提出解決裂縫問題的建議[2]。馮楚祥等人采用ANSYS驗(yàn)證隧道側(cè)墻實(shí)際澆筑后溫度場的時變規(guī)律，提出“內(nèi)降外?！睖乜卮胧3]。孫建恒等人利用ANSYS模擬試塊的溫度場，研究不同膠凝材料的水化放熱特點(diǎn)[4]。閆騰飛等人利用Midas Fea分析大體積混凝土承臺的水化放熱，研究管冷豎向?qū)娱g距與溫差值的變化規(guī)律[5]。經(jīng)證明，有限元仿真模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)具有高度一致性，對大體積混凝土進(jìn)行水化熱模擬可有效提高工程師解決實(shí)際問題的效率。

本文依托深圳市福田區(qū)皇崗口岸地鐵車站項(xiàng)目，使用MIDAS FEA NX軟件對大體積筏板混凝土的水化熱進(jìn)行分析，針對不同澆筑形式，模擬其內(nèi)部溫度變化以及應(yīng)力變化情況，研究不同分層澆筑形式對大體積混凝土內(nèi)部溫升及內(nèi)外溫差的控制效果，從而為實(shí)際施工提供理論依據(jù)。

1 ?工程概況

皇崗口岸站位于深圳市，車站主體建筑面積為150?552?m2，長186～189 m，寬18～40 m，筏板基礎(chǔ)厚度為1.8 m，按照大體積混凝土考慮。

2 ?有限元分析

2.1 ?模型的建立

假設(shè)混凝土及地基均為各向同性材料，選取1/2模型為研究對象，考慮整體澆筑。地基尺寸取186 m×30 m。環(huán)境溫度取該地區(qū)年平均氣溫22.5 ℃。建立模型如圖1所示。

2.2 ?計算原理

不考慮混凝土施工中的熱量散失，即水泥水化產(chǎn)生的熱量全部用于結(jié)構(gòu)升溫，稱之為絕熱溫升[6]。本文采用的最大絕熱溫度估算公式為：

式（1）中：mc為每立方米混凝土水泥用量；Q為每千克水泥水化熱量；C為混凝土比熱容；Ρ為混凝土質(zhì)量密度?；炷僚浜媳纫姳?。

2.3 ?模型材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)單元初始溫度取20 ℃。材料特性見表2。

2.4 ?水化熱計算結(jié)果與分析

基于以上工況計算，筏板各時間點(diǎn)溫度見圖2。

由圖2可以看出，基礎(chǔ)較寬處溫度較高，降溫速度較慢；基礎(chǔ)較窄處溫度變化幅度小，溫度峰值較低，筏板與土壤接觸位置溫度較恒定。該基礎(chǔ)截面變化較大，變截面處降溫較快，與相鄰混凝土截面核心位置的溫差較大，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

筏板基礎(chǔ)澆筑完畢后，整體溫度迅速升高，出現(xiàn)較為明顯的溫度分層。混凝土核心溫度高，外側(cè)溫度低，整體溫度變化較均勻。澆筑24 h最高溫度達(dá)到54.65 ℃，澆筑48 h最高溫度達(dá)到68.74 ℃，筏板表面及底部溫度相差不大。澆筑72 h溫度為50～55 ℃，內(nèi)外溫差逐漸增大，最大溫差達(dá)到32 ℃，變截面處溫度變化最明顯。澆筑96 h寬截面出現(xiàn)明顯的溫度分層。外側(cè)混凝土快速達(dá)到溫度峰值，并開始緩慢降溫；內(nèi)部達(dá)到溫度峰值的時間較長且降溫不明顯。溫度云圖整體表現(xiàn)為：混凝土核心溫度居高不下，外側(cè)低溫帶開始向內(nèi)部擴(kuò)沿。

根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》[7]（GB50496—2018）：混凝土澆筑體里表溫差不宜大于25 ℃的規(guī)定，該大體積混凝土筏板不滿足要求。故探究分層澆筑的可行性。

3 ?分層澆筑方案設(shè)計

3.1 ?分層澆筑模型

選取局部筏板基礎(chǔ)為分析對象，分別考慮平面分層澆筑與斜面分層澆筑，模型如圖4所示。

3.2 ?有限元結(jié)果分析

通過施工階段管理，按照澆筑次序在特定時刻激活相應(yīng)的塊體，實(shí)現(xiàn)順序澆筑過程的仿真。對節(jié)點(diǎn)的溫度自由度約束成起始澆筑溫度，通過鈍化相應(yīng)對流的方式，使模擬所得的溫度結(jié)果更為合理[8]。得到云圖如圖5所示。

整澆產(chǎn)生的最大溫升為47.74 ℃，溫度分布不均勻，中心較邊緣高出32 ℃。這是由于混凝土在整澆過程中短時間快速升溫，熱量難以及時散失，導(dǎo)致中部過熱。而采用分層澆筑方式，每層澆筑厚度控制在600 mm以下，每層澆筑完后間隔一段時間再澆下一層。這種節(jié)節(jié)升溫的方式，能有效減緩熱量積聚。分層澆筑后（平面分層），筏板內(nèi)部的最大溫升僅為33.22 ℃，較整澆降低14.52 ℃。溫度分布也更加均勻。分析顯示，分層澆筑能有效控制筏板最大溫升，降低熱應(yīng)力，減少由此引起的變形與破壞。這是分層澆筑于整澆的重要優(yōu)勢。不同分層澆筑方式內(nèi)部溫升曲線如圖6所示。

分析表明，兩種分層澆筑方式均可控制最大溫升和溫度分布，但平面分層的效果稍好。因?yàn)槠矫娣謱幽茏畲笙薅仍黾訉优c層之間的接觸面積，有利于更快地?zé)崃拷粨Q與散失。

4 ?結(jié) ?語

大體積混凝土整澆后水泥快速固化，水化熱無法及時釋放，產(chǎn)生的應(yīng)力超過混凝土料強(qiáng)度，容易造成應(yīng)力裂縫。因此，大體積混凝土應(yīng)選擇合理的分層澆筑方式以減少水化溫升幅度。

本文針對兩種分層澆筑方式做了探究，相較于整體澆筑，它們均有效地降低了混凝土內(nèi)部最大溫升和里表溫差。其中，平面分層澆筑效果要略優(yōu)于斜面分層澆筑。但在實(shí)際工程中，選擇分層澆筑方式應(yīng)根據(jù)混凝土體積、施工條件和材料特性等因素綜合考慮，以確?；炷恋馁|(zhì)量和性能。

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