筏板基礎大體積混凝土水化熱模擬分析

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-1168

作者簡介：劉新洋（1989—），男，本科，初級-工程師，研究方向為土木工程。

摘 ?要：大體積混凝土硬化過程中會放出大量熱量形成溫度裂縫，影響結構的安全性和耐久性。依托深圳市皇崗口岸站深基坑筏板工程，通過 MIDAS/FEA 對大體積混凝土筏板澆筑后的溫度變化和熱應力情況進行數值分析，對比研究不同澆筑方式對大體積混凝土水化熱的影響。研究結果表明，分段分層斜面澆筑可有效降低大體積混凝土早期溫升，控制表面裂縫的產生。

關鍵詞：大體積混凝土 ?筏板基礎 ?水化熱 ?分層澆筑 ?仿真模擬

中圖分類號：TU755;TU974

胡桂海使用Midas Civil對大體積混凝土承臺進行水化熱模擬計算，并提出了溫控手段[1]。張智通過Midas FEA NX對混凝土橋臺溫度場和應力場進行數值模擬，提出解決裂縫問題的建議[2]。馮楚祥等人采用ANSYS驗證隧道側墻實際澆筑后溫度場的時變規律，提出“內降外保”溫控措施[3]。孫建恒等人利用ANSYS模擬試塊的溫度場，研究不同膠凝材料的水化放熱特點[4]。閆騰飛等人利用Midas Fea分析大體積混凝土承臺的水化放熱，研究管冷豎向層間距與溫差值的變化規律[5]。經證明，有限元仿真模擬數據與實際數據具有高度一致性，對大體積混凝土進行水化熱模擬可有效提高工程師解決實際問題的效率。

本文依托深圳市福田區皇崗口岸地鐵車站項目，使用MIDAS FEA NX軟件對大體積筏板混凝土的水化熱進行分析，針對不同澆筑形式，模擬其內部溫度變化以及應力變化情況，研究不同分層澆筑形式對大體積混凝土內部溫升及內外溫差的控制效果，從而為實際施工提供理論依據。

1 ?工程概況

皇崗口岸站位于深圳市，車站主體建筑面積為150?552?m2，長186～189 m，寬18～40 m，筏板基礎厚度為1.8 m，按照大體積混凝土考慮。

2 ?有限元分析

2.1 ?模型的建立

假設混凝土及地基均為各向同性材料，選取1/2模型為研究對象，考慮整體澆筑。地基尺寸取186 m×30 m。環境溫度取該地區年平均氣溫22.5 ℃。建立模型如圖1所示。

2.2 ?計算原理

不考慮混凝土施工中的熱量散失，即水泥水化產生的熱量全部用于結構升溫，稱之為絕熱溫升[6]。本文采用的最大絕熱溫度估算公式為：

式（1）中：mc為每立方米混凝土水泥用量；Q為每千克水泥水化熱量；C為混凝土比熱容；Ρ為混凝土質量密度。混凝土配合比見表1。

2.3 ?模型材料參數

結構單元初始溫度取20 ℃。材料特性見表2。

2.4 ?水化熱計算結果與分析

基于以上工況計算，筏板各時間點溫度見圖2。

由圖2可以看出，基礎較寬處溫度較高，降溫速度較慢；基礎較窄處溫度變化幅度小，溫度峰值較低，筏板與土壤接觸位置溫度較恒定。該基礎截面變化較大，變截面處降溫較快，與相鄰混凝土截面核心位置的溫差較大，易出現應力集中現象。

筏板基礎澆筑完畢后，整體溫度迅速升高，出現較為明顯的溫度分層。混凝土核心溫度高，外側溫度低，整體溫度變化較均勻。澆筑24 h最高溫度達到54.65 ℃，澆筑48 h最高溫度達到68.74 ℃，筏板表面及底部溫度相差不大。澆筑72 h溫度為50～55 ℃，內外溫差逐漸增大，最大溫差達到32 ℃，變截面處溫度變化最明顯。澆筑96 h寬截面出現明顯的溫度分層。外側混凝土快速達到溫度峰值，并開始緩慢降溫；內部達到溫度峰值的時間較長且降溫不明顯。溫度云圖整體表現為：混凝土核心溫度居高不下，外側低溫帶開始向內部擴沿。

根據《大體積混凝土施工標準》[7]（GB50496—2018）：混凝土澆筑體里表溫差不宜大于25 ℃的規定，該大體積混凝土筏板不滿足要求。故探究分層澆筑的可行性。

3 ?分層澆筑方案設計

3.1 ?分層澆筑模型

選取局部筏板基礎為分析對象，分別考慮平面分層澆筑與斜面分層澆筑，模型如圖4所示。

3.2 ?有限元結果分析

通過施工階段管理，按照澆筑次序在特定時刻激活相應的塊體，實現順序澆筑過程的仿真。對節點的溫度自由度約束成起始澆筑溫度，通過鈍化相應對流的方式，使模擬所得的溫度結果更為合理[8]。得到云圖如圖5所示。

整澆產生的最大溫升為47.74 ℃，溫度分布不均勻，中心較邊緣高出32 ℃。這是由于混凝土在整澆過程中短時間快速升溫，熱量難以及時散失，導致中部過熱。而采用分層澆筑方式，每層澆筑厚度控制在600 mm以下，每層澆筑完后間隔一段時間再澆下一層。這種節節升溫的方式，能有效減緩熱量積聚。分層澆筑后（平面分層），筏板內部的最大溫升僅為33.22 ℃，較整澆降低14.52 ℃。溫度分布也更加均勻。分析顯示，分層澆筑能有效控制筏板最大溫升，降低熱應力，減少由此引起的變形與破壞。這是分層澆筑于整澆的重要優勢。不同分層澆筑方式內部溫升曲線如圖6所示。

分析表明，兩種分層澆筑方式均可控制最大溫升和溫度分布，但平面分層的效果稍好。因為平面分層能最大限度增加層與層之間的接觸面積，有利于更快地熱量交換與散失。

4 ?結 ?語

大體積混凝土整澆后水泥快速固化，水化熱無法及時釋放，產生的應力超過混凝土料強度，容易造成應力裂縫。因此，大體積混凝土應選擇合理的分層澆筑方式以減少水化溫升幅度。

本文針對兩種分層澆筑方式做了探究，相較于整體澆筑，它們均有效地降低了混凝土內部最大溫升和里表溫差。其中，平面分層澆筑效果要略優于斜面分層澆筑。但在實際工程中，選擇分層澆筑方式應根據混凝土體積、施工條件和材料特性等因素綜合考慮，以確保混凝土的質量和性能。

參考文獻：

胡桂海.大體積混凝土承臺溫控設計與現場應用效果研究[J].科學技術創新，2023（17）：159-162.

張智.混凝土橋臺水化熱仿真分析與裂縫處理[J].河南科技，2023，42（8）：57-60.

馮楚祥，李鵬飛，肖自強，等.隧道側墻大體積混凝土水化熱及溫控措施研究[J].施工技術（中英文），2023，52（7）：115-121.

孫建恒，陳若妤，袁敬.大體積鐵尾礦粉混凝土水化熱試驗研究及數值模擬[J].山東農業大學學報（自然科學版），2023，54（3）：440-446.

閆騰飛，包漢營，李星，等.大體積混凝土承臺管冷技術參數優化及其現場試驗[J].中國市政工程，2022（06）：102-105+128-129.

彭博，張斌，丁兆東，等.大體積混凝土水化熱研究綜述[C]//中冶建筑研究總院有限公司.2022年工業建筑學術交流會論文集（下冊）.2022：252-258，74.

中華人民共和國住房和城鄉建設部，國家市場監督管理總局.大體積混凝土施工標準： GB 50496—2018[S].北京：中國建筑工業出版社，2018.

常杰.筏板基礎大體積混凝土施工溫度場數值模擬[J].建筑機械化，2020，41（11）：44-48.