大体积混凝土早期温度应力有限元数值模拟研究

陈东 魏天酬 吴鑫 关素敏

（四川华西绿舍建材有限公司）

0 引言

大体积混凝土由于构件尺寸大、导热性差，水泥水化过程中产生的大量热量不容易散发，导致内部温度不断上升。而混凝土表面由于与空气接触散热较快，产生的内外温差会导致结构表面产生拉应力[1]。而早期混凝土强度没有充分发展，抗拉强度较低，当拉应力大于结构抗拉强度时就会导致温度裂缝生成，这种裂缝很容易进一步扩展为深层裂缝，甚至是贯穿裂缝，对结构危害较大，影响其耐久性和可使用性[2]。因此本研究利用有限元数值模拟对某承台大体积混凝土结构进行早期温度应力分析，探讨浇筑温度、环境温度、保温材料等因素对混凝土表面温度应力的影响，并采用模拟计算对比了施工过程中铺设循环水冷却管控温的效果，为温度裂缝的控制措施提供参考。

1 承台三维有限元模型

该承台采用C30 混凝土浇筑，设计尺寸为11.2m×8m×3.6m，地基视为无限大物体，建立模型时地基长和宽取承台的1.5 倍，尺寸为16.8m×12m×2.4m，基于结构双轴对称性原则，建立承台与地基1/4 三维有限元模型，边界条件为承台与地基良好接触，底部固定约束，侧面及顶部与四周空气发生热交换对流[3]，模型划分网格后如图1 所示。

图1 承台和地基1/4 结构有限元模型图

承台与地基模型计算参数如表1 所示[4]。

表1 模型计算参数

2 温度应力影响因素分析

混凝土表面裂缝是由内外温差产生的表面拉应力引起的。当混凝土配合比和原材料物理参数一定的情况下，影响混凝土结构早期表面拉应力的因素有浇筑温度、环境温度、保温材料等，关于保温材料分别模拟草袋养护、塑料薄膜养护和无保温材料裸露养护三种情况，对应的保温对流系数为4.2W/m2·k、5.25W/m2·k、6W/m2·k。对以上三个影响因素分别做单因素模拟计算，以此判断每个因素对混凝土表面拉应力的影响程度。单因素模拟计算分组如表2 所示。

表2 单因素模拟计算分组

2.1 浇筑温度

在环境温度、保温材料对流系数以及其他计算参数不变的情况下，对比浇筑温度分别为10℃、20℃、30℃时，承台大体积混凝土结构同一开裂关键点的拉应力发展曲线变化情况，模型计算结果如图2。

由图2 可见，随着浇筑温度的升高，承台混凝土结构表面拉应力峰值明显上升，在10～30℃之间，浇筑温度每升高10℃则表面拉应力峰值增加0.7×106N/m2左右，且早期拉应力增长速度随浇筑温度升高而加快，分析其原因为浇筑时初始温度的升高使早期水泥水化速率加快，因此导致最大温差和拉应力峰值的来临时间提前[5]。

图2 不同浇筑温度时表面拉应力发展曲线图

2.2 环境温度

在浇筑温度、保温材料对流系数以及其他计算参数不变的情况下，对比环境温度分别为10℃、20℃、30℃时，承台大体积混凝土结构同一开裂关键点的拉应力发展曲线变化情况，模型计算结果如图3。

由图3 可见，在10～30℃之间随着环境温度的升高，承台混凝土结构表面拉应力峰值逐渐降低，但相较于浇筑温度对拉应力峰值的影响较小，环境温度每升高10℃，表面拉应力峰值降低0.3×106N/m2左右。外部环境温度的升高会导致中心温度略有上升，但会使得结构表面降温速率明显降低，因此使得内外温差和表面拉应力减小。

图3 不同环境温度时表面拉应力发展曲线图

2.3 保温材料

在环境温度、浇筑温度以及其他计算参数不变的情况下，对比草袋养护、塑料薄膜养护和无保温材料裸露养护三种情况下，承台大体积混凝土结构同一开裂关键点的拉应力发展曲线变化情况，计算结果如图4。

由图4 可见，采用草袋、塑料薄膜等保温养护方式可明显降低承台混凝土结构表面拉应力峰值，并减缓拉应力的增长速率，推迟拉应力峰值的来临时间，有利于结构安全性和裂缝控制。但裸露养护条件下应力释放更快，大约在14d 之后裸露养护条件下的结构表面拉应力逐渐低于草袋、塑料薄膜两种保温养护方式，因此在大体积混凝土结构养护过程中应该合理控制保温养护时间，在混凝土结构达到一定强度后应拆除保温养护层，使表面拉应力尽快释放。

图4 不同养护条件时表面拉应力发展曲线图

3 裂缝控制措施

综合上述分析结果可知，在混凝土配合比不变的情况下，可以在施工过程中调控各种因素，以达到控制大体积混凝土结构早期表面拉应力，防止结构裂缝产生的效果。例如降低浇筑温度可以减缓早期水泥水化速率，明显减小大体积混凝土结构表面拉应力峰值，降低拉应力增长速度，使结构自身强度得到更充足的发展时间，降低开裂风险。在浇筑完成后采用保温材料养护可以降低大体积混凝土结构表面热交换对流系数，使表面放热速率降低，减小结构表里温差以及表面拉应力，以达到控制开裂风险的效果，但应注意合理控制保温养护时间。

除此以外，为进一步降低开裂风险，工程中经常采用铺设循环水冷却管的方式降低结构内部温度[6]，本研究采用表2 中1 组1-2 的计算参数，在以上模型基础上增加上下两层冷却水管模拟计算，如图5 所示。其中冷却水管直径27mm，冷却水入口温度为15℃，流量1.2m3/h。

图5 铺设循环冷却水管模型图

冷却水管模型计算结果如图6 所示。循环冷却水可使大体积混凝土结构内部温度大幅度下降，因此结构表面拉应力峰值明显降低。而两种情况下前期应力增长速率基本保持一致，说明降低表面拉应力的主要手段是减小表里温差。前期水泥水化放热阶段冷却水管对表里温差影响不大，进入降温阶段后冷却水管可提高结构内部降温速率，达到降低表里温差和表面拉应力的效果[7]。

图6 水管冷却表面拉应力发展曲线对比图

4 结论

针对大体积承台混凝土结构的浇筑温度、环境温度、保温养护条件等原材料以外的表面拉应力影响因素以及循环冷却水降温方式做了有限元模拟计算研究，得出以下结论：

⑴表面拉应力随浇筑温度的升高而增大，随环境温度的升高而减小，相较之下浇筑温度比环境温度对表面拉应力的影响更大；

⑵采用保温材料养护方式可以明显降低表面拉应力峰值，降低早期拉应力的增长速率，但会影响后期表面应力释放，因此需要合理控制保温材料养护时间；

⑶铺设冷却水管时，采用合理的铺设方式和水管间距可以达到良好的降温效果，减小内外温差且降低表面拉应力。

采用有限元数值模拟计算得到的大体积混凝土结构温度应力数据并不一定能完全吻合实际工程中的应力值，但得到的各个因素的影响变化规律可以用来指导施工及养护方案的制定。实际施工过程中可以将多种措施结合使用，以达到防止早期表面裂缝产生的效果。