超大面積混凝土地面結(jié)構(gòu)無(wú)縫施工數(shù)值模擬研究

李海濤

（重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015）

0 引言

混凝土是由多種材料組成的非均質(zhì)材料。在施工和使用過(guò)程中出現(xiàn)不同程度和不同形式的裂縫，是相當(dāng)普遍的現(xiàn)象[1]。通常所說(shuō)混凝土的無(wú)縫施工是指在超大面積地面混凝土施工中，不留設(shè)伸縮縫、后澆帶，將混凝土地面澆筑成超大面積實(shí)體的施工方法。目前主要有以下三種方法解決無(wú)縫施工問(wèn)題：（1）采用預(yù)應(yīng)力的無(wú)縫施工技術(shù)；（2）采用膨脹加強(qiáng)帶的無(wú)縫施工技術(shù)；（3）采用短距離釋放應(yīng)力的無(wú)縫施工技術(shù)[2]。本論文研究的大面積混凝土地面結(jié)構(gòu)無(wú)縫施工就是指采用短距離釋放應(yīng)力的無(wú)縫施工技術(shù)，即跳倉(cāng)法施工技術(shù)。

1 工程簡(jiǎn)介

某工程位于重慶市西永鎮(zhèn)富士康重慶科技園。建筑面積為84461.37m2，建筑高度22.35m，結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為6度，主體結(jié)構(gòu)使用年限為50年。地面總面積約22011m2，長(zhǎng)172.5m，寬127.6m。地面墊層C20混凝土，剛性層C30鋼筋混凝土。

2 大面積混凝土跳倉(cāng)法施工技術(shù)簡(jiǎn)介

“跳倉(cāng)法”是充分利用了混凝土在5～10d期間性能尚未穩(wěn)定和沒(méi)有徹底凝固前容易將內(nèi)應(yīng)力釋放出來(lái)的“抗與放”特性原理，將大體積混凝土平面結(jié)構(gòu)劃分成若干個(gè)區(qū)域，按照“分塊規(guī)劃、隔塊施工、分層澆筑、整體成型”的原則施工，即隔一段澆一段(跳開(kāi)一段澆一段)，相鄰兩段間隔時(shí)間不少于5d，以避免混凝土施工初期部分激烈溫差及干縮作用，這樣就不用留后澆帶了[3]。

但是目前國(guó)內(nèi)施工單位在采用跳倉(cāng)法短距離釋放應(yīng)力無(wú)縫施工技術(shù)時(shí)，其跳倉(cāng)間距的確定缺少理論依據(jù)的指導(dǎo)，往往都是憑工程經(jīng)驗(yàn)決定，造成了在許多工程中本可以避免的有害裂縫的出現(xiàn)，影響結(jié)構(gòu)的正常使用[4]。因此，對(duì)超大面積混凝土地面結(jié)構(gòu)無(wú)縫施工跳倉(cāng)間距的計(jì)算是超大面積混凝土地面結(jié)構(gòu)無(wú)縫施工技術(shù)研究工作中急需解決的問(wèn)題。對(duì)此問(wèn)題的研究，有利于規(guī)范超大面積混凝土地面結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與施工，提高混凝土質(zhì)量，為其發(fā)展提供良好的外部環(huán)境，推動(dòng)該技術(shù)的健康發(fā)展。

3 混凝土跳倉(cāng)施工水化熱與溫度關(guān)系的有限元分析

超長(zhǎng)超大面積混凝土開(kāi)裂的重要因素之一是施工初期混凝土水化熱引起的內(nèi)外溫度不均勻變化，使混凝土產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力在長(zhǎng)度方向的積累過(guò)大，超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，混凝土裂縫隨之產(chǎn)生。

3.1 混凝土跳倉(cāng)施工水化熱—溫度模擬

混凝土是一種各向異性、非均質(zhì)復(fù)合型材料，影響混凝土熱學(xué)性能的因素很多，各項(xiàng)材料參數(shù)也難以確定。在分析混凝土跳倉(cāng)施工及水化熱與溫度關(guān)系的模擬中，為了簡(jiǎn)化模型，本文假定混凝土是均勻的各向同性材料，同時(shí)假定鋼筋網(wǎng)的溫度與混凝土的溫度時(shí)刻相同。實(shí)踐證明，采用以上假定條件既可以提高計(jì)算效率，又基本滿足工程的精度要求。

3.1.1 模型信息

以某工程的超長(zhǎng)鋼筋混凝土底板作為模型原型，建立最大一次性澆筑長(zhǎng)度40m、寬度10m、厚度0.3m的混凝土底板有限元模型(如圖1)。模擬中假定混凝土的表面粗糙，平均風(fēng)速為3.0 m/s，混凝土表面與空氣接觸處的放熱系數(shù)為55KJ/(m2·h·OC)，與地面接觸處的放熱系數(shù)為30KJ/(m2·h·OC)。

圖1 有限元模型

3.1.2 單元類型

模型中混凝土采用的是DC3D8（3維8節(jié)點(diǎn)熱分析線性實(shí)體單元）單元類型。

3.1.3 邊界條件

ABAQUS軟件中對(duì)混凝土水化熱與溫度場(chǎng)邊界條件的模擬是通過(guò)接觸(in鄄teraction)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。混凝土與空氣接觸的邊界條件，水泥水化放熱時(shí)，混凝土的外表面會(huì)向空氣中放熱，其散熱系數(shù)為55KJ/(m2·h·OC)，當(dāng) 不與空氣接觸，與地面相接觸時(shí)，其散熱系數(shù) 為30KJ/(m2·h·OC)。

3.1.4 荷載與分析步

本節(jié)只研究混凝土水化熱引起的溫度場(chǎng)，故除了初始溫度為30OC（環(huán)境溫度）外，模型沒(méi)有外力荷載。混凝土是熱惰性材料，傳熱是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，因此分析步采用的是熱交換中的瞬態(tài)分析。另外，本節(jié)主要研究鋼筋混凝土底板跳倉(cāng)澆筑施工早期的溫度裂縫，時(shí)間歷程不長(zhǎng)，設(shè)定的分析步長(zhǎng)為168，即168h。

3.1.5 ABAQUS實(shí)現(xiàn)混凝土跳倉(cāng)澆筑方法

利用ABAQUS的生死單元，可實(shí)現(xiàn)混凝土的跳倉(cāng)澆筑過(guò)程的模擬。探究澆筑順序?qū)炷翜囟壬呤欠癞a(chǎn)生顯著影響，筆者分兩種方式進(jìn)行分析。即第一種方式為先澆筑兩邊倉(cāng)，再澆筑中間倉(cāng)；第二種方式為先澆筑中間倉(cāng)，再澆筑兩邊倉(cāng)。

3.2 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)有限元軟件的模擬計(jì)算，對(duì)兩種澆筑方式得到的結(jié)果分別如圖2-圖5、圖6-圖9所示，其中第一次澆筑與第二次澆筑為相鄰地面板塊的澆筑。

從結(jié)果可以看出：分析開(kāi)始時(shí)各種材料處于空氣環(huán)境中還未反應(yīng)，混凝土的溫度為環(huán)境溫度30。隨著混凝土的澆筑，水泥逐漸水化并產(chǎn)生水化熱，混凝土的溫度開(kāi)始升高。此過(guò)程包含了：水泥水化放熱、與空氣接觸的混凝土將產(chǎn)生的水化熱通過(guò)混凝土外表面與空氣接觸進(jìn)行熱對(duì)流交換、與地基接觸的混凝土將產(chǎn)生的水化通過(guò)混凝土外表面與地基接觸進(jìn)行熱對(duì)流交換。

圖2 第一次澆筑7d后混凝土的溫度場(chǎng)

圖3 第一次澆筑升溫初期混凝土的溫度場(chǎng)

圖4 第二次澆筑7d后混凝土的溫度場(chǎng)

圖5 第二次澆筑升溫初期相鄰倉(cāng)混凝土的溫度場(chǎng)結(jié)果

圖6 第一次澆筑7d后混凝土的溫度場(chǎng)

圖7 第一次澆筑升溫初期混凝土的溫度場(chǎng)

圖8 第二次澆筑7d后混凝土的溫度場(chǎng)

圖9 第二次澆筑升溫初期相鄰倉(cāng)混凝土的溫度場(chǎng)

由于混凝土外表面與空氣接觸面積大，向空氣中散發(fā)熱量，熱量損失較多，混凝土未與空氣接觸的混凝土內(nèi)部，熱量損失較少，因此，混凝土的外部溫度較低，內(nèi)部溫度較高。在混凝土澆筑初期，混凝土內(nèi)外部溫度總體呈升溫趨勢(shì)，在澆筑后6～12h均升溫至40OC以上，在澆筑后8h時(shí)達(dá)到最高溫度40.57OC，這與在實(shí)際工程中運(yùn)用實(shí)用公式計(jì)算時(shí)，混凝土中心最高溫度值44.63OC有所差別，其原因在對(duì)于孜（不同澆筑厚度與混凝土最終絕熱溫升的關(guān)系系數(shù)）的取值上存在問(wèn)題。相關(guān)資料顯示，相同齡期下，孜的最小值是在澆筑塊厚度為1m的情況下取得，而實(shí)際的澆筑塊只有0.3m，這勢(shì)必影響孜取值的正確性。隨著施工時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土水化放熱趨于停止。混凝土內(nèi)部溫度高于外部溫度，外表的溫度略高于空氣溫度，混凝土?xí)ㄟ^(guò)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流的方式繼續(xù)把內(nèi)部的熱量逐級(jí)地向空氣傳遞，此時(shí)混凝土進(jìn)到了降溫階段。這個(gè)降溫過(guò)程當(dāng)混凝土澆筑了120h（5d）時(shí)，混凝土內(nèi)部最高溫度從之前的40.57OC降到了接近環(huán)境溫度30OC，這對(duì)規(guī)范所提出的相鄰倉(cāng)相隔7d的澆筑時(shí)間間隔有所縮短，這對(duì)縮短實(shí)際的施工工期有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)大面積混凝土地面結(jié)構(gòu)短距離釋放應(yīng)力無(wú)縫施工技術(shù)進(jìn)行了利用有限元軟件ABAQUS模擬分析施工過(guò)程中混凝土水化熱與溫度的關(guān)系，探究相鄰混凝土澆筑塊的溫度傳導(dǎo)關(guān)系。主要結(jié)論有：對(duì)于不同澆筑順序的混凝土中心部位升溫情況相近，“先兩邊、再中間”與“先中間、再兩邊”的澆筑順序?qū)炷恋淖罡邷厣涤绊懖淮蟆?duì)于續(xù)澆段而言，一方面，其成為相鄰澆段的某一界面的保溫層；另一方面，其又把自身產(chǎn)生的水化熱傳遞給相鄰澆段。這將在一定范圍內(nèi)影響混凝土的溫升值。但當(dāng)混凝土澆筑塊長(zhǎng)度很大，這一范圍并不足以影響到混凝土的最高溫升值，因此“先兩邊、再中間”與“先中間、再兩邊”這兩種澆筑順序的不同，對(duì)相鄰澆段接觸面的溫度影響是很有限的。

[1]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[2]李棟，劉濤瑞，靳艷軍.超長(zhǎng)超寬超深水位下混凝土結(jié)構(gòu)跳倉(cāng)法施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2007(12):61-63.

[3]陸慶.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的分析與控制[J].山西建筑，2007，33(5):81-82.

[4]張俊文.大面積混凝土地坪跳倉(cāng)法施工技術(shù)研究[J].科技論壇，2013（12）:156.