地鐵車站側墻大體積混凝土施工養護測溫實驗與數值模擬

摘"要"通過預埋溫度傳感器的方式，對深圳市某地鐵車站的兩面側墻進行溫度監測，同時監測環境溫度變化，分析地鐵車站側墻大體積混凝土結構內部由水化熱引起的溫度升降變化特征，進一步分析混凝土內部與表面、表面與環境、降溫速率等現象，得出混凝土溫度變化規律。利用ABAQUS有限元軟件對主要的溫度變化過程進行數值模擬，建立側墻的三維應力場-溫度場耦合模型，與試驗數據對比驗證其可靠性，對混凝土應力狀態進行分析，驗證溫度應力產生的原理，并且對地鐵側墻應力易集中處做出預測，提出防止裂縫的相關措施。

關鍵詞"大體積混凝土，"溫度變化，"模型計算，"地鐵車站

Temperature Measurement Experiment and Numerical Simulation of Large-Volume Concretes During Their Construction and Maintenance on Side Walls of Subway Station

CHEN Hui^1，3"ZHANG Yingshuo^2，*"ZHANG Fengliang²"CHENG Chuo^1，3WANG Wenxu^1，3"ZHANG Xinqiang⁴

（1.China Construction First Bureau （Group）"Co.，"Ltd.，"Beijing 100071，"China；"2.School of Civil and Environmental Engineering Harbin Institute of Technology （Shenzhen），"Shenzhen 518055，"China；"3.China Construction First Bureau Group South China Construction Co.，"Ltd.，"Shenzhen 518000，"China；"4.China Construction Southern Investment Co.，"Ltd.，"Shenzhen 518000，"China）

Abstract"In this work the temperature of two side walls of a subway station under construction in Shenzhen was monitored，"and then the temperature fluctuation characteristics caused by the heat of hydration in the large-volume concrete structure of the side wall of the subway station were analyzed. Then the phenomenon of concrete interior and surface，"surface and environment，"cooling rate and other phenomena was further analyzed，"and the temperature change law of concrete was obtained. ABAQUS finite element software is used to simulate the whole temperature change process. A three-dimensional stress field-temperature field coupling model of the side wall was established，"and the result was compared with the experiment data to verify its reliability. The stress state of concrete was analyzed，"the principle of temperature stress was verified，"the stress concentration of the subway side wall was predicted，"and relevant measures to prevent cracks was proposed.

Keywords"large-volume concrete，"temperature changes，"model calculation，"metro stations

0"引"言

隨著城市人口的增多，城市面臨的地上交通壓力越來越大，地鐵這一地下交通方式的出現有效緩解了這種壓力。但是地鐵的修建成本昂貴，對工程技術的要求較高，并且大體積混凝土的裂縫問題一直沒有得到很好的解決，導致后期的維護成本一直處于較高水平。

混凝土早期由于水化熱產生不均勻溫度場，導致混凝土不同區域產生不均勻變形，因為混凝土不同區域之間的彼此約束和混凝土邊界約束，混凝土的變形不能自由釋放，由此產生的應力叫作混凝土的早期溫度應力。對于一個宏觀的混凝土構件，其早期溫度應力大體分為兩類：內部約束溫度應力和外部約束溫度應力。內部約束溫度應力是因為混凝土溫度分布的不均勻、自身內外不同區域變形不協調導致的約束壓力；外部約束溫度應力是新澆筑混凝土邊界因受已澆筑的混凝土或地基的約束而不能發生邊界自由伸縮而產生的混凝土應力^［1］。

當早期溫度應力大于當時混凝土的抗拉強度時，混凝土表面就有可能出現裂縫^［2］，對混凝土的穩定性以及防滲漏有極大挑戰。針對這個挑戰，國內外學者做了不少研究。

我國對大體積混凝土的研究相較于國外開始較晚，但是仍然取得了不少成就。1972年，朱伯芳^［1］編制了國內首個不穩定溫度場的有限元程序，并在工程中進行了大量計算，驗證了程序的可靠性。耿鳴山等^［3］采用MIDAS/FEA軟件建立有限元模型，通過水化熱分析得出大體積混凝土澆筑后的溫度應力場，同時對比無管冷與有管冷的承臺混凝土水化熱發展規律，發現合理的管冷設計能夠減少大體積混凝土承臺內表溫差和表面拉應力大小，從而避免混凝土澆筑后早期表面裂縫的產生。陳傳勇等^［4］對橋承臺大體積混凝土進行溫度場研究，設置水冷系統對混凝土進行降溫，保障了混凝土質量。韓宇聰等^［5］研究車站底板混凝土中心與表面、表面與大氣溫度間的溫度轉換規律，利用ABAQUS有限元軟件，建立地鐵車站大體積混凝土結構澆筑過程的三維應力場-溫度場耦合力學模型，通過與監測數據進行對比驗證，得到地鐵車站底板、側墻等不同結構不同位置的溫度-應變關系。安瑞楠等^［6］對連續澆筑期混凝土的溫度梯度演化規律開展在線監測和真實溫度場、應力分析，得出溫度梯度在線監測系統能保證現場精準動態溫控方案較好地實施，從而有效控制開裂風險的結論。徐文等^［7］以某地鐵車站為研究對象，探究了不同環境溫度、模版材質和拆模時間對車站側墻混凝土溫度、應變的影響，并分析了對混凝土開裂的影響。胡匡藝等^［8］認為混凝土開裂原因共有收縮開裂、耐久開裂和振動開裂三類，開裂的防護應從結構設計、材料選擇和施工控制三方面入手。曾文波等^［9］以江西某地鐵車站為研究對象，分析了車站側墻開裂的原因，證明了合適的工藝與材料有利于側墻抗裂。與此同時，國內的學者針對大體積混凝土的設計、施工、有限元模擬、太陽輻射的影響等都做出了研究^［10-17］。

地鐵車站的分倉施工技術在一定程度上降低了側墻開裂風險，但是往往也有十幾米的長度。以往試驗中，以單向少量傳感器布置為主，很少針對深圳亞熱帶季風氣候下車站側墻進行左、中、右三列均勻監測，對側墻大體積混凝土整體的溫度分布情況研究不足，不利于對裂縫防治提出可靠的理論指導。本次研究對地鐵車站側墻的左、中、右三列同時進行溫度監測，對比分析三列溫度數據，從不同維度分析了側墻大體積混凝土的溫度情況，對整個混凝土的溫度分布有了更全面的認識，并且利用ABAQUS有限元分析軟件對混凝土溫度變化過程進行模擬，驗證混凝土側墻溫度變化的各個階段應力分布情況。

1"目標結構

深圳市軌道交通13號線二期（北延）工程線路由南至北穿過寶安區和光明新區。串聯深圳市光明科學城、光明中心區、光明鳳凰城，與深圳市軌道交通13號線一期銜接后直接聯系深圳高新區、留仙洞總部基地、深圳灣口岸、后海中心等高新技術產業區域。線路起于13號線一期工程上屋北站，止于公明北站，線路全長約19.2 km，設站11座，區間13條，平均站間距1.7 km。公明北站作為13號線的終點站，車站總長為775.75 m，標準段總寬為22.3 m，車站基坑深為17.55 ｍ，底板厚度為900～1 100 mm，墻體厚度為800～900 mm，具有建筑面積大、長度長等特點，圍護結構采取C35P8混凝土，對抗裂有著較高的要求。進行測溫實驗的兩面側墻長度均為16.7 m，厚度為800 mm，高度在6.8 m左右。

2"早期溫度應力對開裂的影響

早期溫度應力按形成方式主要分為內部約束溫度應力以及外部約束溫度應力。內部約束溫度應力的大小與混凝土內外溫差直接相關，而外部約束溫度應力與混凝土接觸面的性質相關。

如圖1所示，在水化熱的作用下，混凝土會因為溫度升高而體積膨脹。此時由于內部混凝土散熱困難，導致內部溫度高于外部，內部膨脹也大于外部，因此混凝土表面產生有害的拉應力，有可能導致裂縫的產生。在混凝土降溫階段，混凝土體積開始收縮，內部溫度仍大于表面，由于此時混凝土已經初凝，強度已經處于較高水平，其在升溫階段的形變不能完全恢復，因此會產生內部的拉應力，而這容易導致混凝土內部出現開裂的現象。

如圖2所示，混凝土在升溫階段，體積受熱膨脹，約束表面對其產生壓應力，沒有約束的一面相應會產生拉應力。在降溫階段，混凝土體積收縮，約束表面會限制混凝土收縮，進而產生拉應力。由于混凝土在澆筑初期具有一定的塑性，因此前期拉應力對混凝土裂縫的發展影響不大，但是在降溫階段，混凝土有了一定的強度，塑性水平較低，此時外部約束溫度應力容易導致混凝土開裂。

在實際工程構件澆筑后的早期，內部約束溫度應力和外部約束溫度應力是同時存在的。在混凝土升溫階段，由于混凝土剛澆筑不久，混凝土塑性較為良好，同時混凝土表面的裂縫對混凝土性能影響不大，所以此時的約束溫度應力對混凝土影響較小。但是在混凝土降溫階段，由于混凝土已經有了一定強度，拉應力容易造成混凝土開裂，這時如果產生貫穿混凝土的裂縫，將影響其力學性能以及對抗滲漏提出挑戰。

3"現場監測

3.1 監測方法

為了監控側墻混凝土澆筑后的溫度變化，在側墻的不同位置布置了溫度測點。將溫度感應計固定于混凝土中相應位置的鋼筋上，并將作好編號的導線引出側墻外。大體積混凝土測溫應在該測溫點混凝土澆筑時開始，每半個小時監測一次。測點分為與相鄰側墻接觸列、中間列、與空氣接觸列三列，各列共有7個測點，除了外部設置一個環境溫度測點外，其余測點均在混凝土內部，如圖3所示，每列共有上、中、下三個測位，每個測位布置內部與表面兩個測點，表面測點布置在距離混凝土表面約50 mm的位置，一面側墻總共21個測點。溫度測量采用北京海創高科科技有限公司面向國內外市場自行研發的HC-TW80無線測溫儀，由采集器、專用測溫傳感器、充電器和電腦等組成，如圖4所示。傳感器測溫范圍在-30 ℃～120 ℃，精度為0.1 ℃。

3.2 監測對象

本次試驗共對兩面地鐵車站側墻進行了監測，分別在2023年1月1日與2023年3月18日，氣候上會有所不同，兩次測溫的天氣均為晴天，風速為1.2 m/s左右，但是第一次測溫的環境溫度在13 ℃～23 ℃，第二次測溫的環境溫度在20 ℃～29 ℃，這對混凝土的溫度也會產生一定影響。兩次試驗均采用C35P8混凝土，根據監測公司的要求，混凝土的配合比也有了相應的調整，見表1。另外，第一面側墻右側有已經修建好的側墻，左邊與空氣接觸；而第二面側墻左側有已經修建好的側墻，右邊與空氣接觸。

3.3 監測結果與分析

圖5給出了第一次試驗中地鐵車站側墻的與空氣接觸列、中間列和與臨墻接觸列的溫度-澆筑時間曲線。

由圖5可知：混凝土澆筑完成后，底部、中部和上部測點溫度都呈現出先急劇上升后又緩慢下降的趨勢。與空氣接觸列測點由于施工原因，導致上部內部、中部內部與中部表面測點出現問題，分析正常數據可知，溫度在10 h左右達到最高溫32.7 ℃，中間列測點溫度在第2天左右達到最高溫48.3 ℃，與臨墻接觸列測點溫度在第2天左右達到最高溫45.9 ℃。在所有測點中，內部測點溫度高于對應位置的表面測點溫度，這是由于內部混凝土散熱相對于表面較為困難；中間列的溫度要高于與臨墻接觸列對應測點溫度高于與空氣接觸列對應測點溫度，考慮這是因為中間列散熱較為困難，臨墻列由于挨著相鄰的側墻導致散熱條件差于與空氣接觸那一列的條件。

圖6給出了第二次的測溫曲線。由圖6可以得到與圖5類似的結論：在所有測點中，內部測點溫度高于對應位置的表面測點溫度，中間列的溫度高于與臨墻接觸列對應測點溫度，高于與空氣接觸列對應測點溫度。

由于底部測點傳感器出現問題，所以暫且不分析各列底部測點，可以發現同樣的混凝土澆筑完成后，中部和上部測點溫度都呈現出先急劇上升后又緩慢下降的趨勢。與空氣接觸列測點溫度在26 h左右達到最高溫63 ℃，中間列測點溫度在31 h左右達到最高溫68.5 ℃，與臨墻接觸列測點溫度在27 h左右達到最高溫61.9 ℃。

表2—表4給出了第一次測溫中幾個典型側位每日溫度的最值情況。如表2—表4所示，第一面墻降溫階段幾個典型測點的每日溫度最值，可以看到在降溫開始的兩天降溫速度基本都會超過2 ℃/24 h的限值，這樣極易產生外約束裂縫。

表5—表7給出了第二次測溫中幾個典型側位每日溫度的最值情況。如表5—表7所示，第二面墻降溫階段幾個典型測點的每日溫度最值，同樣可以看到在降溫開始的三天降溫速度基本都會超過2 ℃/24 h的限值，這樣極易產生外約束裂縫。

之后進一步對混凝土的內部與表面溫差以及表面與環境溫差進行分析，圖7列出了兩次測溫實驗中間列的溫差曲線圖。可以看到溫差曲線與混凝土升溫曲線類似，都有一個先升高后降低的過程。國家規范中建議混凝土的內部與表面溫差不大于20 ℃，可以看到兩種配合比下的混凝土均達到了要求。另外，表面與環境溫差過大也容易導致混凝土表面產生裂縫，這時就需要采取一定的保溫措施來減少混凝土表面與環境的換熱。與此同時，通過分析混凝土不同位置的溫差曲線可以發現，中部測點的溫差大于上部與底部測點的溫差，這是因為中部混凝土的降溫條件差于兩端的降溫條件，因此在預防裂縫產生時，應重點注意混凝土中間部分，這也與我們理論結果保持一致。

4"數值模擬建模與分析

4.1 建立模型

采用ABAQUS大型有限元分析軟件對溫度場和應力場進行分析，按原尺寸，采用溫度位移耦合網格，建立地鐵車站大體積混凝土側墻的應力場-溫度場耦合三維力學模型，如圖8所示。側墻長16.6 m、寬6.84 m、厚0.8 m，單元共3 600個，節點4 845個。另外建立側基巖、底部基巖與相鄰側墻的模型，進行裝配，得到整個模型，如圖9所示。

4.2 模型參數定義

采用彈塑性本構模型來定義材料性質，主要參數見表8、表9。

忽略混凝土澆筑時間，認為混凝土側墻是一次性澆筑完成，通過FILM子程序定義混凝土表面與大氣的對流換熱，將每日的氣溫簡化為余弦曲線^［18］。用UEXPAN子程序根據歐洲規范^［19］來定義材料的收縮應變以及線彈性系數。通過HETVAL子程序根據規范^［20］給出的水化熱模型定義混凝土水化熱屬性。混凝土導熱率一般取1.28～2.33 W/（m·K），剛澆筑的混凝土的各項系數不能確定，因此在允許范圍內，進行調整以擬合測溫試驗的結果^［21］。

4.3 數值驗證分析

利用應力場-溫度場耦合分析步對模型進行計算，得到車站側墻在各個時間下溫度變化情況與應力分布情況，并且與實驗得到數據進行對比，圖10為第一面側墻測點的試驗與模擬結果對比。

通過計算幾個典型測點溫度可得，實測溫度與數值計算結果得到的溫度相對誤差小于15％，滿足工程問題研究的要求。進一步對第二面墻進行模擬，得到圖11。

通過計算幾個典型測點溫度可得，實測溫度與數值模擬溫度相對誤差小于15%，滿足工程問題研究的要求。后期曲線擬合有所出入，考慮是實際環境溫度在當天有所升高，減小了混凝土降溫速率，導致實驗結果與模擬曲線有所差距，但對接下來的分析影響較小。

由圖12可知，混凝土核心最高溫度為67.6 ℃，邊緣溫度較低，這是因為邊緣位置都有與外界接觸的對流邊界，表面與大氣接觸，或與旁邊基巖接觸，內部溫度不易消散，所以出現了混凝土核心比邊緣溫度高的情況。

4.4 應力結果分析

由上述溫度分析可以看出：側墻的溫度場的計算值與實測值吻合度較高，在允許的范圍內，可根據計算溫度場對大體積混凝土進行溫度應力分析。由于并未對混凝土應力應變進行監測，因此不進行具體的應力大小分析，只針對應力大小關系進行判斷。

先來分析混凝土升溫階段，圖13展示了混凝土側墻澆筑20 h時，也就是升溫階段應力分布情況。如圖13所示，由于混凝土受熱膨脹在內部約束溫度應力的作用下導致混凝土表面中部容易產生裂縫，混凝土下部與后部有基巖，在基巖的外部約束溫度應力作用下，混凝土外表面容易應力較大，進而產生裂縫。

圖14給出了混凝土降溫階段應力大小關系，如圖所示側墻底部與基巖接觸位置由于混凝土外部約束的影響，造成溫度應力較大，極容易引起裂縫發展。相比之下，混凝土內部約束溫度應力造成的混凝土表面中間部位的應力要小很多，但是由于在升溫階段，混凝土表面中部已有裂縫的情況下，很容易在降溫階段與底部裂縫連貫起來，造成貫穿混凝土的裂縫，對混凝土的坑滲漏以及力學性能產生較大影響。

5"結"論

隨著城市的發展，城市人口越來越多，地鐵車站規模越來越大，大體積混凝土結構不可避免地被應用到工程中去，但是混凝土水化熱導致的混凝土溫度變化極容易造成混凝土墻體的開裂。本研究針對深圳地鐵13號線公明北地鐵車站的側墻進行了現場監測與數值計算分析，得到了在混凝土水化熱作用下的側墻溫度變化，進一步計算了混凝土內部應力情況。主要有以下結論與建議：

（1）"地鐵車站側墻澆筑后溫度會急劇上升。由于混凝土內部與表面所接觸的溫度環境不同，其體積與溫度變化也會受到影響，此時主要受到內部約束溫度應力，一般混凝土溫度升高幅度不會超過50℃，但也推薦采用布設管道冷水循環系統降溫，以緩解降溫階段的壓力。

（2）"在降溫階段，如果不采取保溫措施，混凝土降溫速度很容易超過規范推薦的2 ℃/24 h，所以在降溫階段應該對混凝土采取保溫措施，以此來防止外部約束溫度應力過大造成的混凝土開裂。

（3）"本研究對大體積混凝土的溫度變化過程進行數值模擬及驗證，在一定程度上可以判斷什么位置容易應力集中，什么位置容易產生裂縫。對預防和治理混凝土裂縫的產生都有一定的參考意義。

（4）"通過本次研究，在進行大體積混凝土施工時，尤其是一些對防水提出嚴格要求的工程時，一定要重視起混凝土溫度變化過程，盡可能采取“外保內降”"的措施，來減小混凝土內部與表面溫差、表面與環境溫差以及降溫速率，這樣才可以確保混凝土墻體的施工質量，減少裂縫的出現。

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