0 引言

　　混凝土冬期施工中，环境温度变化具有历时短、降幅大的特点。温度骤降过程中，混凝土结构表面会产生很大的温度梯度，温度应力迅速产生，易引起表面开裂及后续发展裂缝^{[1,2,3,4,5,6,7]}。混凝土裂缝会降低结构功能性、整体性和耐久性^[8,9,10,11]。

　　国内外学者对混凝土水化热引起的大体积混凝土开裂问题进行了较多研究。章龙^[12]就连续箱梁的早期温度裂缝问题，通过有限元软件对大体积混凝土“二次浇筑”早期水化热温度场及应力场进行了分析研究;夏启^[13]开发了一种水化热监控系统来实现对混凝土养护过程的实时监控;黄颖婳等^[14]利用有限元方法对混凝土水化热过程进行了仿真，其结果可指导实际施工。

　　通过MIDAS建立筏板基础大体积混凝土冬期施工的有限元模型，对其整浇养护全过程的温度场及应力场进行预测分析，以优化大体积混凝土施工工艺参数，为大体积混凝土施工温度裂缝控制提供参考。

　　1 工程概况

　　西安武隆航天酒店项目超高层办公楼基础筏板采用大体积混凝土整浇方式施工，该筏板基础厚度一般为2m，电梯井局部厚4.7m，筏板外轮廓尺寸为41.3m×40.2m，底板面积约1 660m²，混凝土强度等级为C40，浇筑方量约3 600m³。

　　混凝土浇筑时间为1月中旬，环境温度可能低于5℃，冬期施工加大了混凝土开裂风险。为保证混凝土质量，浇筑采用了“斜向分层，薄层浇筑，循序退浇，一次到底”的连续施工方法，并在养护过程中，通过加盖棉毡、浇水的方法达到混凝土养护的最佳状态，以保温和保湿同时兼顾为养护原则，控制混凝土温差并防止裂缝产生。为验证施工的可行性，控制施工的风险点，通过有限元软件对施工进行模拟分析。

　　2 大体积混凝土冬期施工

　　2.1 主要技术问题

　　1)筏板混凝土浇筑方量大，一次浇筑量3 600m³，连续浇筑时间长。要合理组织施工现场，如何保证混凝土浇筑及时、连续进行是重点。

　　2)基础底板混凝土采用抗渗混凝土，如何控制大体积混凝土的干缩裂缝、温度裂缝、内部毛细孔裂缝，达到抗渗无收缩的设计效果，是施工的难点与关键。

　　3)施工现场场地狭小，只在基坑东南侧有一条下坑坡道，不能形成环形的现场道路，交通运输不便，场地管理、文明施工、环保、安全保卫等都有较高要求，需进行周密组织，合理配备机械，保证高效、连续浇筑底板混凝土。

　　4)工程筏板基础内集水坑和电梯基坑及板厚变化较多，模板支护是保证筏板符合设计要求的必要条件。

　　5)工程基础底板最大厚度达4 700mm，选择合适的混凝土配合比是保证基础施工质量的重要因素^[4]，需经过详细计算和试配进行优化。

　　6)施工时间属于冬季，天气寒冷，外界温度低，如何做好大体积混凝土各位置保温，确保混凝土内外温差及降温速率满足规范要求^[7]，是施工难点。

　　2.2 初步施工方案

　　筏板大体积混凝土施工面对上述施工重难点，为保证混凝土浇筑质量，采取混凝土泵送布置计划及组织措施。

　　1)底板混凝土浇筑量大，现场计划布置2台臂架天泵，1台混凝土地泵。2台天泵分别布置在基坑西侧和东北角处，地泵布置在基坑东南角处。

　　2)选择实力雄厚，生产能力、技术能力强的混凝土供应商，混凝土只能采用同一个配合比和同种原材料^[5]。混凝土供应商要编制合理的混凝土供应方案，满足工程需要。

　　3)合理布置混凝土泵车位置、场内车流方向，选择场外最佳运输路线，场外设专职调度人员，做好场内外协调工作^[4]。

　　4)确定混凝土的浇筑方向及浇筑方式，保证浇筑过程不产生冷缝。

　　5)做好施工人员的值班安排和现场调度，保证混凝土浇筑工作有序进行。

　　6)底板混凝土浇筑时室外气温较低，在混凝土施工过程中要控制混凝土的出罐温度和入模温度，同时注意已浇筑完成混凝土的保温，防止混凝土内外温差过大，出现温度裂缝。

　　2.3 混凝土参数

　　混凝土选用水化热较低的硅酸盐水泥，经试验，其3d的水化热≤250kJ/kg,7d的水化热≤280kJ/kg。粗骨料选用5.0～31.5mm的连续级配碎石，含泥量<1%;细骨料为质地坚硬、级配良好的中砂，细度模数为2.5～3.0，含泥量<3%。拌合水用量<170kg/m³。配合比按60d强度进行设计，坍落度为(180±20)mm，水灰比<0.45，砂率38%～45%。大体积混凝土施工流程如下:优化配合比→施工准备→钢筋绑扎完毕(隐蔽前验收)→埋设测温点→商品混凝土运输→混凝土分层浇筑→混凝土振捣→混凝土收面→保温保湿养护、测温。

　　筏板基础混凝土强度等级C40，浇筑面积及浇筑方量如表1及图1所示。

　　表1 混凝土浇筑区域 

　　表1 混凝土浇筑区域

　　图1 筏板厚度分区示意  

　　2.4 养护措施

　　养护的原则是保温和保湿兼顾。保湿通过在混凝土终凝前上覆塑料薄膜和混凝土终凝后浇水，保持表面混凝土处于潮湿状态14d(满足膨胀剂水化用水要求);保温在混凝土浇筑完成24h后，通过覆盖棉毡(再生棉毡厚度为1cm)，使混凝土中心温度和表层温差介于15～25℃。混凝土中心的降温速率<(2～3)℃/d，直至混凝土中心的最高温度与环境温度之差<25℃时，结束混凝土保温养护^[7]。

　　3 基础筏板混凝土温度场有限元分析

　　3.1 基本分析过程

　　通过MIDAS/Civil建立筏板基础大体积混凝土有限元模型，对混凝土水化热过程进行分析研究，以指导实际施工过程。

　　大体积混凝土水化热分析包括热传导分析和温度应力分析2个过程。热传导分析是通过计算节点间的温度传递以得到单元的温度变化数值，反映在该模型中即计算混凝土水化热反应过程中产生并传递到各单元节点温度数值变化。温度应力分析即根据单元节点温度数值变化，考虑混凝土的材料特性，计算混凝土内部各单元节点应力的时程分析。

　　3.2 计算参数

　　筏板基础结构形式为矩形的对称结构，考虑到计算效率，取1/2结构进行分析，分析模型如图2所示。模型的计算参数如表2所示。

　　图2 基础筏板有限元模型  

　　表2 模型计算参数 

　　表2 模型计算参数

　　3.3 分析结果

　　筏板基础混凝土的温度及应力分析点选取如图2所示，每个分析点分别提取上、中、下3个节点的温度及应力曲线。

　　选取图2中1,2,3和4号点，分析其温度与应力随时间变化的规律，典型结果曲线如图3,4所示。通过各点压强值可换算其应力值:1kgf/m²=9.8N/m²=9.8Pa，因此分析点压强曲线可以反映其应力情况。

　　由有限元计算结果分析可知:

　　1)混凝土浇筑完毕，基础边角部位1号点和2号点的温度随时间变化情况几乎一致，其温度峰值出现在混凝土浇筑后的20～40h，最高温度位于混凝土中层，约为30℃，同时下层的峰值温度大于上层，随后混凝土开始降温，最终温度约10℃。

　　图3 1号点温度及应力曲线  

　　图4 4号点温度及应力曲线  

　　2)对于接近基础中心部位的3号点和4号点，其温度峰值出现在混凝土浇筑后的80～120h，最高温度位于混凝土中层，其值为72～76℃，且下层峰值温度大于上层;由3号点和4号点的温度曲线对比知，4号点更靠近基础中心位置，其峰值温度较高，尤其是4号点的下层峰值温度比3号点高约30℃;3号点在1 000h时，中层和下层温度分别降至32℃和40℃，而4号点分别为46℃和66℃，因此4号点降温速率较低，降至环境温度所需的时间更长。

　　3)通过各点的应力曲线与温度曲线对比，可以发现应力较温度而言有一定的滞后性。以1号点为例，应力峰值的出现时间比温度峰值滞后约30h，同时应力下降也滞后于温度下降。1号点和2号点的应力曲线较为规律，且其峰值都为下层>中层>上层。1号点最大峰值拉应力约为0.51MPa,2号点最大峰值拉应力约0.48MPa，且很快恢复到较低的应力水平。

　　4)3号点最大峰值拉应力出现在上层，其值约为1.90MPa，最大峰值压应力出现在中层，其值约为-2.35MPa。4号点最大峰值拉应力约为上层1.89MPa，最大峰值压应力约为-0.99MPa。因此在筏板基础中心的混凝土较厚位置存在应力集中现象，应力超限，且较长时间难以恢复到较低的应力水平，需要加强养护，采取相应的抗裂措施。

　　4 基于数值分析的方案优化与实施

　　对筏板基础大体积混凝土冬期施工的水化热反应进行有限元模拟分析，在优化方案时须注意以下要点。

　　1)越靠近筏板基础中心位置，其峰值温度更高，降温速率更慢;而边角部位的混凝土峰值温度低，降温所需的时间短，对该部位混凝土可适当减少养护。

　　2)筏板基础上层混凝土的峰值温度较低，不超过32℃，同时相比中、下层混凝土其降温至环境温度所需的时间较少，尤其是在混凝土较厚的基础中心部位更为明显，此时要注意控制该部位混凝土的内外温差。

　　3)应力的增长和下降较温度具有一定的滞后性，因此在养护过程中要注意根据温度变化及时采取有效措施。

　　4)筏板中心局部区域拉应力易超过限值，需加强养护，严格控制内外温差，并采取抗裂措施。

　　由于本工程混凝土表面水分蒸发量大，可在保温养护的基础上进行保湿养护。混凝土表面终凝、完全硬化时方可浇水，保持混凝土表面湿润即可。表面保湿养护14d，在浇筑完成后加盖棉毡，并在棉毡上浇水，达到饱和状态。棉毡下部水受热升温，可达到温热养护的最佳状态^[7]。

　　对于电梯井口位置，应在浇筑完成当天即向坑内注水，深300mm，可起到混凝土中心降温作用。第2天晚上应用彩条布封闭坑口，防止冷空气进入坑底。电梯井坑内模板1周后方可拆除，闭合坑口，直至保温阶段结束。

　　5 结语

　　冬期施工大体积混凝土时，针对温度控制和裂缝防治需制定严格的施工措施，数值分析可作为施工方案优化的有效技术手段。基于大体积混凝土筏板施工前采用数值分析结果对施工措施进行合理性论证，有助于防治混凝土裂缝。