筏板基础大体积混凝土水化热模拟分析

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-1168

作者简介：刘新洋（1989—），男，本科，初级-工程师，研究方向为土木工程。

摘  要：大体积混凝土硬化过程中会放出大量热量形成温度裂缝，影响结构的安全性和耐久性。依托深圳市皇岗口岸站深基坑筏板工程，通过 MIDAS/FEA 对大体积混凝土筏板浇筑后的温度变化和热应力情况进行数值分析，对比研究不同浇筑方式对大体积混凝土水化热的影响。研究结果表明，分段分层斜面浇筑可有效降低大体积混凝土早期温升，控制表面裂缝的产生。

关键词：大体积混凝土  筏板基础  水化热  分层浇筑  仿真模拟

中图分类号：TU755;TU974

胡桂海使用Midas Civil对大体积混凝土承台进行水化热模拟计算，并提出了温控手段[1]。张智通过Midas FEA NX对混凝土桥台温度场和应力场进行数值模拟，提出解决裂缝问题的建议[2]。冯楚祥等人采用ANSYS验证隧道侧墙实际浇筑后温度场的时变规律，提出“内降外保”温控措施[3]。孙建恒等人利用ANSYS模拟试块的温度场，研究不同胶凝材料的水化放热特点[4]。闫腾飞等人利用Midas Fea分析大体积混凝土承台的水化放热，研究管冷竖向层间距与温差值的变化规律[5]。经证明，有限元仿真模拟数据与实际数据具有高度一致性，对大体积混凝土进行水化热模拟可有效提高工程师解决实际问题的效率。

本文依托深圳市福田区皇岗口岸地铁车站项目，使用MIDAS FEA NX软件对大体积筏板混凝土的水化热进行分析，针对不同浇筑形式，模拟其内部温度变化以及应力变化情况，研究不同分层浇筑形式对大体积混凝土内部温升及内外温差的控制效果，从而为实际施工提供理论依据。

1  工程概况

皇岗口岸站位于深圳市，车站主体建筑面积为150 552 m2，长186～189 m，宽18～40 m，筏板基础厚度为1.8 m，按照大体积混凝土考虑。

2  有限元分析

2.1  模型的建立

假设混凝土及地基均为各向同性材料，选取1/2模型为研究对象，考虑整体浇筑。地基尺寸取186 m×30 m。环境温度取该地区年平均气温22.5 ℃。建立模型如图1所示。

2.2  计算原理

不考虑混凝土施工中的热量散失，即水泥水化产生的热量全部用于结构升温，称之为绝热温升[6]。本文采用的最大绝热温度估算公式为：

式（1）中：mc为每立方米混凝土水泥用量；Q为每千克水泥水化热量；C为混凝土比热容；Ρ为混凝土质量密度。混凝土配合比见表1。

2.3  模型材料参数

结构单元初始温度取20 ℃。材料特性见表2。

2.4  水化热计算结果与分析

基于以上工况计算，筏板各时间点温度见图2。

由图2可以看出，基础较宽处温度较高，降温速度较慢；基础较窄处温度变化幅度小，温度峰值较低，筏板与土壤接触位置温度较恒定。该基础截面变化较大，变截面处降温较快，与相邻混凝土截面核心位置的温差较大，易出现应力集中现象。

筏板基础浇筑完毕后，整体温度迅速升高，出现较为明显的温度分层。混凝土核心温度高，外侧温度低，整体温度变化较均匀。浇筑24 h最高温度达到54.65 ℃，浇筑48 h最高温度达到68.74 ℃，筏板表面及底部温度相差不大。浇筑72 h温度为50～55 ℃，内外温差逐渐增大，最大温差达到32 ℃，变截面处温度变化最明显。浇筑96 h宽截面出现明显的温度分层。外侧混凝土快速达到温度峰值，并开始缓慢降温；内部达到温度峰值的时间较长且降温不明显。温度云图整体表现为：混凝土核心温度居高不下，外侧低温带开始向内部扩沿。

根据《大体积混凝土施工标准》[7]（GB50496—2018）：混凝土浇筑体里表温差不宜大于25 ℃的规定，该大体积混凝土筏板不满足要求。故探究分层浇筑的可行性。

3  分层浇筑方案设计

3.1  分层浇筑模型

选取局部筏板基础为分析对象，分别考虑平面分层浇筑与斜面分层浇筑，模型如图4所示。

3.2  有限元结果分析

通过施工阶段管理，按照浇筑次序在特定时刻激活相应的块体，实现顺序浇筑过程的仿真。对节点的温度自由度约束成起始浇筑温度，通过钝化相应对流的方式，使模拟所得的温度结果更为合理[8]。得到云图如图5所示。

整浇产生的最大温升为47.74 ℃，温度分布不均匀，中心较边缘高出32 ℃。这是由于混凝土在整浇过程中短时间快速升温，热量难以及时散失，导致中部过热。而采用分层浇筑方式，每层浇筑厚度控制在600 mm以下，每层浇筑完后间隔一段时间再浇下一层。这种节节升温的方式，能有效减缓热量积聚。分层浇筑后（平面分层），筏板内部的最大温升仅为33.22 ℃，较整浇降低14.52 ℃。温度分布也更加均匀。分析显示，分层浇筑能有效控制筏板最大温升，降低热应力，减少由此引起的变形与破坏。这是分层浇筑于整浇的重要优势。不同分层浇筑方式内部温升曲线如图6所示。

分析表明，两种分层浇筑方式均可控制最大温升和温度分布，但平面分层的效果稍好。因为平面分层能最大限度增加层与层之间的接触面积，有利于更快地热量交换与散失。

4  结  语

大体积混凝土整浇后水泥快速固化，水化热无法及时释放，产生的应力超过混凝土料强度，容易造成应力裂缝。因此，大体积混凝土应选择合理的分层浇筑方式以减少水化温升幅度。

本文针对两种分层浇筑方式做了探究，相较于整体浇筑，它们均有效地降低了混凝土内部最大温升和里表温差。其中，平面分层浇筑效果要略优于斜面分层浇筑。但在实际工程中，选择分层浇筑方式应根据混凝土体积、施工条件和材料特性等因素综合考虑，以确保混凝土的质量和性能。

参考文献：

胡桂海.大体积混凝土承台温控设计与现场应用效果研究[J].科学技术创新，2023（17）：159-162.

张智.混凝土桥台水化热仿真分析与裂缝处理[J].河南科技，2023，42（8）：57-60.

冯楚祥，李鹏飞，肖自强，等.隧道侧墙大体积混凝土水化热及温控措施研究[J].施工技术（中英文），2023，52（7）：115-121.

孙建恒，陈若妤，袁敬.大体积铁尾矿粉混凝土水化热试验研究及数值模拟[J].山东农业大学学报（自然科学版），2023，54（3）：440-446.

闫腾飞，包汉营，李星，等.大体积混凝土承台管冷技术参数优化及其现场试验[J].中国市政工程，2022（06）：102-105+128-129.

彭博，张斌，丁兆东，等.大体积混凝土水化热研究综述[C]//中冶建筑研究总院有限公司.2022年工业建筑学术交流会论文集（下册）.2022：252-258，74.

中华人民共和国住房和城乡建设部，国家市场监督管理总局.大体积混凝土施工标准： GB 50496—2018[S].北京：中国建筑工业出版社，2018.

常杰.筏板基础大体积混凝土施工温度场数值模拟[J].建筑机械化，2020，41（11）：44-48.