大體積混凝土溫度控制參數敏感性仿真分析

代遲書

（武漢市公路工程咨詢監理公司 武漢 430051）

混凝土的抗拉強度只有抗壓強度的1／10左右，拉伸變形也很小，短期極限拉伸變形只有（0.6～1.0）×10－4，約相當于溫度降低6～10℃的變形。大體積混凝土結構尺寸較大，混凝土澆筑后，由于水泥水化熱作用，內部溫度急劇上升，此時彈性模量很小，徐變很大，升溫引起的壓力不大，但在日后溫度逐漸降低時，彈性模量較大，徐變較小，在一定約束條件下會產生相當大的拉應力。此外，大體積混凝土結構通常是不配鋼筋或鋼筋數量很少，如果出現了拉應力，就要依靠混凝土本身來承受。一旦溫度控制不當，極易出現裂縫。

我國規范《大體積混凝土施工規范》規定［1］：混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升不宜大于50℃；混凝土澆筑塊的里表溫差（不含混凝土收縮的當量溫度）不宜大于25℃；混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2.0℃／d；混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20℃；混凝土入模溫度不宜低于5℃，并控制在30℃以下。

為了使承臺的水化熱方案能夠滿足規范的要求，同時又方便實現，本文選取了入模溫度、環境溫度、冷卻水溫度、冷卻水流量、邊界條件的放熱系數等參數研究其對里表溫差、溫度峰值和溫度峰值出現時間的影響。

1 模型介紹和參數取值

康家河大橋主墩承臺為15.0m×10.5m×4.5m長方體，采用C30混凝土且一次性澆筑。本文采用通用有限元軟件分析程序 Midas／civil建立承臺的有限元模型，共有3 207個節點和2 540個單元。模型中采用的主要參數見表1。計算理論采用朱伯芳［2］的等效負熱源方法。混凝土與鋼模板和空氣的接觸邊界屬于第三類邊界條件，即經過混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度t和氣溫ta之差成正比［3］。地基的邊界為第一類邊界，亦即表面溫度恒定為已知的溫度（15℃）。

表1 模型中的主要參數

冷卻水管共布置3層，入水口盡量布置在各層中心位置，具體布置見文獻［4］。

2 影響溫度場的參數敏感性分析

2.1 入模溫度

混凝土的入模溫度也稱澆筑溫度，它是混凝土水化熱溫升的基礎。當只改變入模溫度（9，10，11，12，13，14，15℃），其他條件都不變時，觀察不同狀態下的溫度變化情況，見圖1。

圖1 不同入模溫度下各高程中心點溫度峰值圖

由圖1可見，入模溫度對混凝土溫度影響是非常顯著的，基本成線性關系［5］。即澆筑溫度每增加1℃，混凝土溫度基本增加1℃。當然溫度點位置越靠近混凝土里面的時候，線性關系越明顯；當溫度點靠近上表面時由于環境溫度與混凝土的差值不同，而此邊界條件屬于第三類邊界條件，即經過混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度t和氣溫ta之差成正比，因此此處溫度還受到環境溫度的影響，線性關系不明顯；當溫度點靠近下表面時，由于地基阻擋了大部分熱量的流通，因此溫度影響特性和混凝土里面的溫度一樣，成線性關系。由此可見，當入模溫度越高時，里表溫度差值越大，當然里表差值的變化小于入模溫度的變化，見圖2。

圖2 不同入模溫度下中心點溫度隨時間變化圖

由圖2可見，入模溫度對中心溫度的峰值影響呈線性關系（圖1也清楚的反映了），入模溫度越高，中心溫度峰值越大。入模溫度變化對中心溫度峰值出現的時間影響不大，中心溫度峰值出現的時間在80～100h之間。

2.2 環境溫度

周圍環境與混凝土的熱量交換是與其溫差成正比［6］，因此相同混凝土在不同環境溫度下，由于熱量流動量不同導致了溫度場不同。在實際的仿真計算中，很難模擬實際的環境溫度曲線。為了了解在不同環境下溫度場變化特點，以便為實際中出現不同環境溫度時采取的措施提供依據，本文分別計算了環境溫度為15，17，19，21，23，25℃下的溫度場情況，見圖3。

圖3 不同環境溫度下里表溫度差隨時間變化圖

由圖3可見，環境溫度越低，里表溫差越大，因此在寒潮來臨時進行澆筑是不利的。不同環境溫度下各高程中心點溫度峰值見圖4，環境溫度對上表面溫度中心點影響較大，高程越低時，其高程中心點的溫度受到的影響越小。其規律是測點遠離表面時，溫度受環境溫度的影響越小。

圖4 不同環境溫度下各高程中心點溫度峰值圖

2.3 冷卻水

冷卻水在水管中流動時，因溫差而沿途吸收混凝土放出的熱量，水溫逐漸升高，出口處水溫將高于進水口溫度。冷卻過程中，人為地分成2個階段：一期為到達溫峰階段之前，起著消減水化熱的溫升；二期為溫峰之后，主要是降低混凝土溫度到穩定溫度。

2.3.1 冷卻水溫度

在混凝土的熱傳導中，熱流量q與溫度梯度成正比。冷卻水與混凝土的溫差直接影響熱量的交換，也影響了混凝土的溫度。取冷卻水溫度分別為15，16，17，18，19，20℃，來觀察它對混凝土溫度的影響。

如圖5所示，不同冷卻水溫對中心點溫度的影響隨著時間的增長越來越明顯。在一期主要起著降低各點的溫度峰值的作用。圖6為在不同通水水溫下各高程中心點的溫度峰值情況。冷卻水溫度越高，消減水化熱的溫升能力越小，各點的溫度峰值越大。

圖5 不同通水溫度下中心點溫度隨時間變化圖

圖6 不同通水溫度下各高程中心點溫度峰值圖

如表2所列，冷卻水溫度每升高1℃，混凝土中心點溫度峰值增加約0.099 1℃。

表2 模型中的主要參數℃

2.3.2 冷卻水流量

流量是指單位時間通過截面的體積。現分析流通量分別為0.3，0.6，0.9，1.2，1.5m3／h和沒有冷卻水管的6種情況，見圖7，8。

圖7 不同冷卻水溫度下各高程中心溫度峰值圖

圖8 不同冷卻水溫度下里表溫度差隨時間變化圖

由圖7可見，冷卻水流量大小對各高程中心點的溫峰值影響不大；但是在沒有冷卻水管時，上表面中心的溫度峰值不變的情況，其他各高程中心點溫度峰值有增加。圖8表示不同冷卻水溫下里表溫度差值隨時間變化的情況。可以看出：冷卻水流量對里表溫度影響不大；在沒有冷卻水時里表溫差有增加。

2.4 邊界條件的放熱系數

設置的模型中上表面的對流系數為77.145 kJ／（m2·h·℃），當表面覆蓋2層薄膜和2cm草袋時，等效放熱系數為20.80kJ／（m2·h·℃）。模型中側面的對流系數為82.566kJ／（m2·h·℃），當采用2cm木模，1cm的油毛氈保暖，且風速為0時，等效放熱系數為58.38kJ／（m2·h·℃）。

如圖9所示，減小邊界的放熱系數對上表面中心的溫度峰值影響較大。圖10～12分別表示了混凝土中心點和上表面中心的溫度變化及其差值變化情況。可以看出：放熱系數減小，對中心點溫度的影響不大，對上表面中心的影響較大。在時間歷程上影響最大的區域是50～100h之間，澆注初期影響較小，隨溫度的增加影響越來越大，隨著溫度的降低影響隨之減小，溫度峰值出現的時間也延長很多，里表溫度差也是隨著放熱系數的減小而減小。

圖9 不同放熱系數下各高程中心點溫度峰值圖

圖10 不同放熱系數下中心點溫度隨時間變化圖

圖11 不同放熱系數下上表面中心點溫度隨時間變化圖

圖12 不同放熱系數下里表溫度差隨時間變化圖

3 結論

（1）入模溫度對混凝土溫度影響是非常顯著的，基本成線性關系，即澆筑溫度每增加1℃，混凝土溫度基本增加1℃。當溫度點位置越靠近混凝土里面時，線性關系越明顯；當溫度點靠近上表面時影響較小。入模溫度對各點出現的溫度峰值時間影響不大。入模溫度越高，里表溫度差越大。在實際工程中，高溫的夏季澆筑多采用冷卻骨料和冷卻水等方式來降低入模溫度。

（2）環境溫度越低，里表溫度差越大。因此當寒潮來臨或晚上溫度較低時，會嚴重加大里表溫差。

（3）冷卻水對中心點溫度的影響隨著時間的增長越來越明顯。冷卻水溫度越高，各點的溫度峰值越大，冷卻水溫度每升高1℃，混凝土中心點溫度峰值增加約為0.099 1。

（4）冷卻水速度大小對各高程中心點的溫度峰值影響不大。但在沒有冷卻水管時，上表面中心的溫度峰值不變，其他各高程中心點溫度峰值有增加。冷卻水流量對里表溫度影響不大，在沒有冷卻水時里表溫差有增加。

（5）減小邊界的放熱系數對上表面中心的溫度峰值影響較大。放熱系數的減小，對中心點溫度的影響不大，對上表面中心的影響較大。在時間歷程上影響最大的區域是50～100h之間，澆注初期影響較小，隨溫度的增加影響越來越大，而又隨著溫度的降低影響隨之減小，溫度峰值出現的時間也延長很多，里表溫度差也是隨著放熱系數的減小而減小，因此較好的養護條件可以減小里表溫度差。

［1］朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［2］GB50496－2009大體積混凝土施工規范［M］.北京：中華技術出版社，2009.

［3］王解軍，梁錦鋒，王明明.連續剛構橋承臺施工中的溫度分析［J］.中南公路工程，2005（4）：86－90.

［4］代遲書.連續鋼構橋如水化熱現場監測與溫度控制［J］.交通科技，2013（3）：50－52.

［5］李問兵.大體積混凝土的溫度裂縫及其控制技術探討［D］.成都：西南交通大學，2004.

［6］李 政.主墩承臺大體積混凝土施工溫度控制［J］.中南公路工程，2004（2）：125－127.