大体积混凝土(筏板基础)温度场仿真分析与温控监测

高伟杰

(海军青岛特勤疗养中心,山东 青岛 266071)

随着我国大型和超大型高层建筑的应用越来越广泛，为保证其结构的安全性，对其所配套的大体积混凝土筏板基础的研究也许要更加重视.大体积混凝土具有基础深、底板厚、规模大、混凝土一次用量大、温度应力明显等明显特征.大体积混凝土由于自身硬化过程中的收缩变形，以及内外温差所引起的温度应力可能会超过混凝土最大允许拉应力而造成开裂等现象.本文主要针对大体积筏板基础在浇筑过程中因温度变化而引起的应力改变展开研究.上世纪末至今，日本、美国和苏联等国家的研究人员早已针对大体积混凝土开展了相关的研究[1-3]，讨论分析了其相关的工程结构设计、施工技术、运营维护等关键技术，并提出了一系列减缓温差应力效应的方法，其成果成功应用于世界上多个大型工程中.我国学者早期针对梅山大坝工程中的大体积混凝土温度场进行了研究，通过实践总结出了缓解温度应力效应而导致产生裂缝的措施[4].朱伯芳院士根据大体积混凝土温度场以及温度徐变应力的变化规律提出了自己的计算方法[5]；王铁梦在前述研究的基础上，创新性的提出了混凝土工程非线性温度收缩裂缝[6]，对大体积混凝土工程中裂缝与温度应力的关系进行了相应的解释，并且总结了温度应力下混凝土裂缝的计算方法；周勇[7]等采用冲击共振的方法来获得早龄期混凝土的动态弹性模量，通过试验研究了骨料体积含量、不同粗骨料、粗骨料级配等因素的不同对早龄期混凝土抗压强度和弹性模量的影响；刘敏义[8]针对混凝土温度应力造成的开裂问题进行了研究并提出了相应的工程解决方案；于宗让[9]经过对大体积混凝土工程中的温度应力进行了现场实测，证明了在合理工程措施下大体积基础混凝土一次性浇筑的可行性；陈波[10]采用了温度应力试验的方法，运用了高精度传感器来对早龄期混凝土弹性模量值进行了测定，等等[11-14].本文以城市CBD核心区域基础筏板大体积混凝土项目为工程依托，制定了合理的温度场和温度应力监测方案，并对监测得到的温度和应力变化进行了统计；同时利用大型有限元软件对该工程的温度和应力场变化进行了计算，得到了相应的分布形式和变化规律，以达到为后面的类似工程项目提供参考的目的.

1 混凝土温度场计算理论

由于混凝土浇筑过程中受到外部条件的约束，其自身在发生水化热反应时会产生大量的热量，内外散热条件的不同导致的温差变化将会表现出不同程度的温度应力.绝热升温过程线、导温系数、线膨胀系数和比热容[15]等是混凝土热力学计算用到的关键参数.计算过程中用到的混凝土热传导方程如下：

上述的热传导方程式定义了空间和时间对温度的影响，但此方程无法得到唯一解，必须要对方程的初始条件和边界条件加以限制，初始条件在分析前对温度场函数进行了指定，为T0(x,y,z)，因此有式：(x,y,z, 0) =T0(x,y,z).

2 工程概述

该CBD项目作为市地标性建筑，建筑高度共518 m，其中地面以上共108层，地下设置4层.根据设计要求，混凝土浇筑时分区分段进行，如图1中所示，地下室底板总面积 24 200 m2左右，桩阀底板厚约4.5 m，局部位置加厚至6.5 m，混凝土强度和防水等级分别为C50和P10.

图1 筏板基础分区图

施工过程中，塔楼区和TL-1区同步进行，塔楼区底板浇筑时一次性用量 22 260 m3，同时在TL-1区域和周围浇筑 1 628 m3混凝土，其余部位根据分区位置分别进行浇筑和施工.为了保证大体积筏板基础整体浇筑混凝土时的工程质量，防止因温度应力造成开裂事故，需要拟定安全合理的温度场及应变监测方案.

3 温度监测及数据处理结果

3.1 监测设备与测点布置

采用振弦式应变传感器YT-3600，该传感器共有4条测线，其中红黑线口用于监测振弦得到应力变化，白绿线口可以测得实时温度，监测系统主要由传感器、数据线、便携式采集仪组成，图2所示为传感器组成部件和监测系统.

图2 振弦式温度应力采集仪和监控设备组成

测点位置确定在塔楼区地下室基础筏板处，根据《大体积混凝土温度测控技术规范》[15]，一共在该位置中间、边缘和距离边缘1/2处布置3个测位，每个测位按正三角形形状排列3个控制点(上部、中部、下部)，控制点间距为600 mm，上部控制点距离底板顶面80 mm，中部控制点位于底板中间，下部控制点距底板底面200 mm.控制点位置预先布设中空钢管预埋件，以便于固定传感器.测点布置如图3所示.

图3 监测点布置图

在监测混凝土应变的过程中，内部水化热的过程会使得其体积发生收缩和膨胀发生变化，此时混凝土的弹性模量也算随之改变，因此我们通过测试得到的应变不仅仅包含混凝土硬化过程中产生的应变，还有混凝土由于自身体积变化所引起的时间上的徐变，但这一因素我们不考虑，这样根据弹性模量计算得到的应力将变得不准确.在实际监控过，专门设置了无应力计来测量外荷载和徐变因素以外所带来的应变，即混凝土自身体积的改变.假设无应力计得到的应变为ε无，测点的总应变为ε总，则混凝土实际的应变大小为：ε实=ε总-ε无.

在基础筏板首次浇筑混凝土之前距离所有传感器的初始数据并进行归零处理，在浇筑开始时进行同步测量.混凝土龄期28 d，在28 d之内制定不同的测量频率来进行数据采集：第1～4天每2 h采集一次；5～9天每4 h采集一次；10～15天每8 h采集一次；之后每天采集一次.

3.2 监测数据结果

根据监测结果数据统计，单组控制点在一个完整龄期内的数据是109个，实际一共得到的数据共有300多个，数据量非常大.利用excel和origin进行数据处理后，得到的测点2温度变化如图4所示，各个测点位置不同控制点的温度变化情况汇总如表1所示.

表1 不同测点温度统计表

图4 测点2不同控制点处温度变化曲线

从监控得到的统计数据来看：(1)所有测点的温度在混凝土开始浇筑后迅速升高，尤其在浇筑后38～48 h 时间范围内便达到了最高温峰值，最高可达到 73.9 ℃，发生在塔楼区中间位置中部区域.在这之后，温度慢慢下降，在 280 h 以后逐渐恢复到大气温度；(2)浇筑后的混凝土同一水平层的温度差异不是很大，竖向温度差异变化明显；(3)筏板基础混凝土温度场在竖向上呈现出中间高，上下部低的规律，水平向(筏板径向)表现为中间区域温度高，边缘位置温度低.

4 大体积混凝土温度场模拟4.1 有限元模型的建立

本文选用MIDAS/GEN有限元软件，模拟计算大体积筏板基础混凝土硬化过程中温度场和应力场的变化规律.项目基础采用桩阀基础，地下室部分底板厚4.5 m，局部混凝土最大厚度达到6.4 m，根据设计图纸的实际尺寸进行建模.由于塔楼区基础形状规则并且对称，为了建模的方便和减小计算量，采用1/4模型进行有限元分析和计算.模型和测点布置如图5所示：

图5 有限元模型及测点布置图

4.2 仿真结果分析

图6为计算得到的筏板基础在不同时刻的温度场分布云图.

图6 不同时刻的温度场分布云图

在初始浇筑时期，混凝土的温度接近于大气温度约为20 ℃，随着浇筑的不断进行，混凝土内部开始发生水化热反应使得温度急剧升高，由于筏板基础较厚，水化热产生的热量无法及时的进行散热，因此整个基础底板表现为中上部温度持续升高.当浇筑后38 h，反应产生的热量达到了峰值，基础内的温度也进一步升高，此时筏板基础中间温度达到了75 ℃，下表面温度也到了72 ℃左右.可以看出，由于基础筏板底部布置有垫层等，而上表面与大气相接触，因此底板底部保温效果较好，混凝土向下方散热比较困难，因此中部靠下方区域水化热温度相较于上方要高.

随着反应的继续进行，混凝土水化热反应逐渐变缓，产生的热量也越来越少，并且整个过程仍在不断的向周围环境散热，结构底板基础的温度也不断降低，内部高温区域不断缩小.在后续反应中，核心区温度仍在增加，混凝土内外温差差异也比较大，此时可能由于较大的温度应力而产生混凝土开裂等现象，因此在这一阶段要特别注意内外温差变化，做好相应的监控和保护措施，使得筏板基础整体温度趋于平缓，防止混凝土裂缝的发生.图7为布置测点的温度变化曲线.

图7 布置测点的温度变化曲线

筏板基础不同时刻的应力云图如图8，在混凝土浇筑完成后，底板上部和下部承受拉应力，中部承受压应力，并且温度应力随着时间不断变大.从70 h以后，底板表面温度应力的范围逐渐向基础中心收缩，使得最后700 h时底板中心和边缘位置出现了应力集中现象，这在混凝土养护过程中要重点监控.由于混凝土内部不停地进行水化热反应，使得内部的温度不断升高并向中心集聚，将会导致筏板基础的变形.

图8 筏板基础不同时刻的应力云图

混凝土内部温度高，加上由于底板以下垫层的保温隔热作用，中心温度一直保持在较高水平，混凝土表面通过与大气的直接接触进行热量的散失，过大的温差会导致较大的温度应力产生.最终，混凝土内部由于受热膨胀也会出现拉应力.通过图9所示的温度应力与抗拉强度对比图能够看出，筏板基础的上下表面受到的拉应力都要略大于允许抗拉强度，中心拉应力远小于允许抗拉强度，因此提前采用合理有效的保温措施来降低内外温差，对控制混凝土表面裂缝的出现有明显效果.

图9 A测温点应力与允许抗拉强度

5 结语

本文以城市CBD大体积筏板基础混凝土项目为依托，通过理论分析和现场监测获得了筏板基础在不同水化热时期的温度和应力变化情况，总结了现场施工中混凝土温度场的分布规律，并建模对大体积混凝土的温度场和应力场求解计算，对比验证数值方法的正确性.经过计算和分析，可以得出大体积混凝土在水化热初期升温迅速，由于内外散热不均会产生较大的温度应力，混凝土上下表面受拉可能超过允许抗拉强度而导致表面裂纹的出现，合理的保温措施应安排在浇筑开始后70 h内.