熱力耦合視角下地鐵工程混凝土結構開裂影響因素研究

中圖分類號：TQ178；U231.3 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）05-0171-04

Abstract：The pouring reinforced concrete structural parts after rust are prone to cracking behavior，and the research experiments were carried out to exploreand study them.Basedon the experimental results and related literature，the influencing factors of rustand crackingof reinforcedconcrete under thermal coupling were analyzed and summarized.Firstly，thechloride ion transport modeinreinforced concrete was similarlysimulated，thechlorideioncontent of reinforced concreteatthesame positionindiffrent timeperiodswas detected，and itsthermodynamicload was used，and then thecoeficient parameterssuchas timeand temperatureof steelbarexpansion wereadded，the test temperature was increased，and the rust expansion was tested，and a series of routine analyses were carried out according to this.The summary analysis of the data can wellsimulate and analyze the influencing factors of cracking in the concrete structure of the subway project，which is conducive to the timelyupdate and iteration of the reinforced concrete in the subway.

Key words ：thermal coupling；subway engineering ；concrete structure ；cracking factor

鋼筋混凝土由于其特殊的結構在潮濕且接觸空氣的情況下，會誘導混凝土中的氯離子加速移動，從而使得鋼筋混凝土膨大或者混凝土斷裂，導致鋼筋混凝土的使用壽命大大降低[1]。鋼筋混凝土中氯離子的擴散參照熱傳導的方程，對于鋼筋混凝土的擴散問題獲得廣泛關注。氯離子具有腐蝕鋼筋表面鈍化膜的作用，當離子濃度達到臨界值后，鋼筋便會經歷膨大的過程，通過對混凝土的開裂過程進行一定的簡化和模擬，可以構建一系列的開裂模型[2]。混凝土的銹脹開裂可以分為施加均勻或變化的外部壓力，或者是徑向的不同力，通過將結構的變化用于分析鋼筋混凝土的膨脹開裂已經有一些報道，目前尚未發現基于熱力學下分析氯離子對于混凝土開裂影響的研究[3]

1熱力耦合視角下混凝土開裂實驗方向與方法

1.1 實驗方向

利用現有的理論模型，可以分析得到等效為溫度變化的鋼筋混凝土開裂模型，將時間分布下的氯離子濃度作為有效溫度量進行混凝土開裂中的模型建立[4]。基于熱力耦合對氯離子移動引起混凝土開裂進行精細模擬，通過熱量傳輸的模型對氯離子的運用形式進行模擬等。

1.2 實驗方法

探索了各種環境條件對混凝土中的熱分布及承壓影響。首先考察地鐵車站在經過運行后的鋼筋混凝土在使用過程中的熱量、承受壓力、位置偏移以及表面破損的分布。對于新制備的混凝土，沒有經過磨合，其抗拉伸性能和抗開裂性能都相對降低。而對于混凝土結構件的構筑，比較好的方式是降低每次的澆筑厚度來有效降低澆筑次數少所帶來的溫度應力的降低，使得防開裂性能得到提高。在生產過程中改進澆筑工藝來實現性能的提高是十分經濟高效的[5]

2不同條件對混凝土開裂影響實驗測試

2.1 混凝土澆筑溫度影響分析

2.1.1混凝土澆筑溫度影響實驗方案

混凝土在進行澆筑時溫度十分重要，決定了使用過程中的溫度差異。混凝土的初升溫度和澆筑溫度相同。通過控制變量的方法對澆筑溫度的變化研究混凝土中的溫度分布和承受壓力的變化，分析其中的聯系，便于尋找出最佳的澆筑溫度來適應不同的使用場景。經過調節澆筑溫度來制備更加優異的混凝土材料并提升其抗開裂性能[6]

通過模擬近似的有限元模型，設定了一系列的澆筑溫度，分別測試了16、21、26和31 C 進行混凝土澆筑后，在地鐵車站運行時的溫度分布和壓力分布等。當在31 C 進行澆筑混凝土時，其內部的溫度峰值為 左右，澆筑溫度和溫度峰值呈現同樣的升降[8]。混凝土外部表面的溫度受澆筑溫度的影響不大，每提高 的澆筑溫度，僅僅帶來 2% 左右表面溫度的變化。通過分析壓力變化曲線，在31C 的澆筑溫度時，會有相對顯著的壓力變化。澆筑溫度的提高會增加整體結構的抗壓性能。在工程中，為避免混凝土的開裂情況發生，應該結合材料的粒度大小等一些實際情況來綜合控制混凝土的澆筑溫度[9]

2.1.2混凝土澆筑溫度影響實驗結果與分析

在實際應用中要考慮保溫等條件下的影響。當混凝土進行保溫膜保護時，溫度變化的模型仍然近似于第三種溫度常數條件。進行參數分析時，一般要引入轉換系數，用以抵消保護層對于溫度影響[10]。在常規操作中，會使用木頭，棉花，草稈等對新澆筑好的混凝土進行保溫，防止凍傷。保溫措施可以減緩混凝土的降溫速率，使剛澆筑好的混凝土熱量緩慢釋放，防止表面和內部放熱速率不同導致的內部不均勻性增大。通過不同的保溫材料下的測試，模擬初熱量和壓力的變化規律[11]。通過篩選合適的保溫材料，使混凝土內部向外均勻傳輸熱量，降低溫差所帶來的應力變化，降低混凝土開裂的風險。通過套用模型，改變覆蓋面的材料（見表1），測試不同熱系數下制備的混凝土溫度和應力。

2.2對流換熱系數以及環境溫度影響分析

2.2.1對流換熱系數以及環境溫度影響實驗方案

將對流換熱系數小的保溫材料的最大發熱溫度時間推遲，使其最高溫度值出現的時間在系數高的材料之后，這一措施是為了更好的操控早期的大體積混凝土出現最高峰值溫度的時間，這種控制溫度的方法快捷方便，在實施的同時內在的溫度差別不大，使到達最大應力的時長更久，這樣混凝土內部承受的應力就隨之減小[12]。混凝土表面溫度的升高情況跟對流換熱系數的變化也有一定的關聯，溫度的升高跟系數的大小成反比。在混凝土溫度下降的過程中，溫度與速率也成反比。溫差的變化與對流換熱系數也有關聯，當內外溫差變大的時候表面系數也增大，溫度升高速率提高，應力增長速度也達到最快。當對流系數達到50時就是只用鋼，在這個時候就是混凝土表面物質與大氣之間的直接熱反應，但是鋼相關材料并不能達到保溫效果，所以在具體實施的時候一定要利用合理的保溫方法，將混凝土表面蓋住保溫來增加其對外面熱阻力，降低混凝土內的熱量外放，降低了散熱速度也就是減少內在溫差大對混凝土開裂的影響[13]

在施工過程中，現場環境溫度對于混凝土的影響是巨大的，合理的溫度場地能夠降低混凝土的內外部溫度差，降低混凝土結構的應力溫度，減少可能出現的溫度導致破裂的可能性。設定不同的環境溫度（ 起每增加 5% 為一組）統計不同溫度下的地鐵站混凝土結構溫度峰值、表面溫度、應力峰值3個變量分別為多少[14]

2.2.2對流換熱系數以及環境溫度影響實驗結果與分析

由實驗數據得出，當環境溫度提高 $2＼mathrm{^＼circC}$ ，混凝土的內溫度增高 ，當環境溫度提高 時，混凝土表面溫度增高 。所以環境溫度的改變影響混凝土的內在溫差，混凝土的內外溫差變化是隨著環境溫度提升而降低，當環境溫度達到 ，混凝土內在溫度差 ，環境溫度達到 時，混凝土內在溫度差 10% ，這個過程降低 37% 。實驗數據顯示，環境溫度和峰值溫度以及應力峰值成正比關系，當環境溫度達到 時，主應力峰值達到 3MPa 環境溫度達到 30% ，主應力峰值為 2.4MPa ，降低22% 。所以在實際工作環境中溫度過低時需要保暖來減少影響[15]

2.3線膨脹系數影響分析

2.3.1線膨脹系數影響實驗方案

線膨脹系數也是能夠影響混凝土的主要因素之一，線膨脹能夠導致混凝土的直接開裂。由于線膨脹系數作為影響混凝土的關鍵參數之一，其數據大小代表了其與混凝土應力值以及導致變形的程度關系大小。由于線膨脹系數跟導熱無關所以不會影響溫度，混凝土應力與線膨脹系數呈正相關[16]。由實驗數據得出，峰值主應力與線膨脹系數是趨于一次函數，當混凝土的線膨脹系數增加時峰值主應力也隨之增加，且增加強度超過混凝土樣本的抗拉扯強度。運用數值小的線膨脹系數時，熱量變化值就會對應減少。混凝土的膨脹系數指標受多種因素改變，例如一些原材料種類，配比的水與灰等。因為在混凝土的組成部分中集料占比絕大部份，所以集料的相關變化也決定著線膨脹系數的變化，故此使用巖石類的小系數的膨脹材料可以降低混凝土的溫度變化，也是防止混凝土破裂的另一種方法[16]。

2.3.2線膨脹系數影響實驗結果與分析

探索不同條件下混凝土的的溫度以及應力變化，主要的規律為：當澆筑時所產生的溫度過高時，混凝土內在溫度以及應力都將隨之溫度升高而升高，澆筑時溫度對混凝土內在溫度的影響是不同的，外部溫度的變化比內部溫度的變化更小[17]，例如澆筑溫度提升 時內部溫度也會隨之提升 ，到表面溫度只上升內部變化的五分之一。當混凝土應力升高時，為了防止正在施工的混凝土材料出現裂縫[18]，應該利用一些工程手段來降低混凝土溫度應力從而降低混凝土澆筑溫度，例如加冰預冷等。當使用的保溫材料的對流換熱系數很小時，會出現峰值溫度低于系數高的保溫材料，并且當內在的溫差較小時，升高到最大應力的時間就會更長，混凝土的應力降低。混凝土表面具備的對流換熱系數如果將其表面的溫度提升將會出現顯著的變化，當混凝土表面對流系數減小時，表面溫度升高的最大值也將增加。由于對流系數與溫度差的關系緊密，由實驗數據總結出二者的正相關關系，如圖1所示。表面對流系數增加時混凝土內部的溫差也會增加，溫度提升的速度就會更快，與此同時應力也將以最快的速度進行相應增加[19]

3研究成果匯總與展望

如果在施工的過程中就實施了合適的保溫工程，使混凝土內外的溫度釋放阻力增加時，降低內部熱量排放到外界的速度，能降低混凝土由于溫差大而斷裂的可能性[20]。施工場地的溫度對于混凝土內環境溫度影響很小，但是對混凝土外部的溫度影響很大，例如場所溫度上升 時，混凝土表面溫度將提高 ，而內溫度只上升1 C 。當場所溫度達到某一數值時，混凝土的峰值內在溫差將隨著溫度的升高而降低，主應力峰值也會隨著溫度升高降低，所以在寒冷的的天氣作業時應該將混凝土保溫安置。線膨脹系數對于溫度來說其影響可以忽略不計，但是對應力的改變是顯著的。當線膨脹系數升高時就說明混凝土出現了應力變形的改變，但是導熱仍然保持原態溫度不變。線膨脹系數與主應力呈正相關關系，線膨脹系數增加會使溫度應力隨之提升。所以選用線膨脹系數小的材料至關重要，例如選用巖石類不僅會降低混凝土溫度應力也是另一種降低混凝土材料開裂的方法。

4結語

利用熱力耦合視角來分析地鐵車站混凝土的影響因素，但是研究還是不夠深人，很多有爭議的地方可以再研究。由于混凝土材料的復雜性，其中的熱力參數只能測量，其他應用的參數都是通過運算取值，這一部分可以改進，研究材料的熱學性能能夠更準確的了解其中的規律。

【參考文獻】

[1] 張斌.沿海強風環境下鋼結構超高層建筑風侵評估與施工技術研究[J].粘接，2023，50（3）：172-177.

[2] 杜威，王文富，方敏杰，等.考慮壓型鋼板影響的鋼筋桁架-混凝土組合板靜力性能設計方法[J].工業建筑，2023，53（6）：153-160.

[3] 李一松，陳文.型鋼混凝土低矮剪力墻抗震性能試驗及開裂荷載計算方法[J].建筑結構，2023，53（S1）：738-748.

[4] 張啟航，曹恒，彭茂軍，等.渠江風洞子航運工程泄洪沖沙閘底板大體積混凝土結構控裂技術研究［J].建筑結構，2023，53（S1）：2280-2286.

[5] 袁靜，馬曉鳴.裝配式建筑立面構造性能優化設計研究[J].粘接，2023，50（2）：153-157.

[6] 陳濤，金辰華，張克，等.降溫作用下開裂混凝土拉彎構件的有效軸向剛度計算方法[J].工業建筑，2023，53（6） ：100-104.

[7] 鄭文華，宮劍飛，劉明保.基于瞬態分析法的預應力與非預應力鋼筋混凝土梁動力響應對比分析［J/OL].防災減災工程學報，2023，43（6）：1304-1312.

[8] 李永平，劉慧源，趙哲，等.基于彈性力學理論的鋼筋混凝土結構保護層銹脹開裂時間預測模型研究[J].結構工程師，2022，38（5）：8-14.

[9] 靳俊杰，楊經會，石廣斌，等.基于塑性損傷模型大型調壓井混凝土結構開裂特征分析[J].水力發電，2022，48（9） ：56-61.

[10] 隨意，程曉輝，趙作周.基于總應變裂縫本構模型的混凝土構件開裂破壞全過程研究[J].建筑結構學報，2023，44（7）：216-224.

[11] 王玲，申明.淺析建筑師跨界鞋業設計現象及其對鞋子造型趨勢的影響[J].中國皮革，2015，44（6）：33-35.

[12] 秦一琦.氯鹽環境下混凝土中鋼筋均勻/非均勻銹蝕試驗與數值模擬研究[D].青島：青島理工大學，2022.

[13] 任建宇.氯鹽侵蝕鋼筋混凝土致損傷破壞過程的相場模擬方法［D].上海：東南大學，2022.

[14] 閔博.非對稱連拱隧道襯砌開裂特征及其對結構承載能力的影響研究[D].北京：北京交通大學，2021.

[15] 柯乃文.超長預應力及普通鋼筋混凝土結構溫度收縮效應非線性分析[D].南昌：南昌大學，2021.

[16] 張堅，徐文，王育江，等.水化溫升抑制技術在地下車站結構混凝土中的應用研究［J].建筑科學，2021，37（3） ：64-69.

[17] 常偉.青島地鐵香江路站抗裂高性能混凝土制備及質量控制研究與應用[D].青島：青島理工大學2020.

[18] 徐文，李忠超，張建亮，等.施工因素對地鐵車站側墻混凝土早期裂縫影響監測分析[J].混凝土與水泥制品，2020（9）：84-87.

（責任編輯：蘇帆）