大体积混凝土结构现场浇筑几何尺寸较大, 需采取相应技术措施处理温差、解决温度应力, 最大限度地减少混凝土开裂^[1]。近年来, 大体积混凝土的应用越来越广泛, 温度裂缝控制问题一直是工程界需迫切解决的问题之一。混凝土结构开裂的后果很严重, 不仅直接影响结构外观, 而且会影响结构耐久性并影响正常使用。王嘉杨等^[2,3]提出从材料方面进行控制, 选择水化热较低的水泥, 掺加粉煤灰、乳化沥青和聚丙烯纤维等改性材料抵抗温度应力;朱伯芳^[4,5]研究了大坝混凝土运用冷却水管方法的计算问题, 对非金属聚乙烯水管的降温方法进行讨论, 并深入研究了计算方法;袁昆^[6]基于数值计算提出了后浇带留置间距、封闭时间的理论值;20世纪80年代, 王铁梦^[7]基于“抗与放”设计原则, 提出了“跳仓法”裂缝控制施工技术, 取得了显著效果。将“跳仓法”施工技术运用于云南省昆明市某城市棚户区改造项目, 采用有限元软件Midas FEA对典型分仓进行跳仓施工模拟分析, 得到相应温度场, 研究该技术在项目大体积混凝土温度裂缝控制中运用的有效性。

云南省昆明市某改造项目位于昆明市王家桥片区。项目总建筑面积230 487.08m², 地下建筑面积70 887.57m², 地上建筑面积159 599.51m²。工程为2层地下车库及5栋住宅楼、1栋社区用房的地下和夹层部分, 南北长212.3m, 东西长164.75m, 由于本工程施工工期紧, 地下室面积大, 单层地下室面积达320 031m², 按正常施工工序完成主体结构工期紧凑, 考虑地下室顶板在主体施工阶段作为整个施工现场环状施工主要道路及部分材料堆场场地, 且地下室顶板需回填覆土, 防止雨季期间地下室渗水、漏水, 使地下室附属工程如综合管线、通风、照明、地下装饰装修工程提前投入施工。根据施工经验, 对本项目地下室基础底板、地下1层底板、顶板及外墙后浇带做技术改进, 取消温度后浇带, 保留沉降后浇带, 采取跳仓法施工。

地下1层底板、地下室顶板分仓施工按总平面水平分仓和竖向分仓处理, 取消温度后浇带, 保留沉降后浇带共划分为4个分仓。跳仓的最大分块尺寸宜≤40m, 最大为65m。跳仓法原则为“隔一跳一”, 即至少隔一仓块跳仓或封仓施工, 上、下层分仓施工缝可不对齐。最大分块尺寸宜≤40m。跳仓间隔施工时间宜≥7d, 封仓间隔宜为7～10d。

为简化模型, 本文假定混凝土是均匀的各向同性材料, 且由于钢筋网分布在混凝土内部, 所占底板体积比例较小, 故忽略钢筋网与混凝土间的温度差, 忽略钢筋网建立分析所用的有限元模型^[8]。考虑整个地下室底板较大, 若建立整个模型则工作量和计算量巨大, 所以选择如图1所示的分仓 (1) , (3) , (4) 进行分析研究。超长钢筋混凝土底板模型原型分仓 (1) 一次性浇筑长38.8m、宽34m、厚1.5m;分仓 (3) 一次性浇筑长35m、宽23m、厚1.5m;分仓 (4) 一次性浇筑长35m、宽28.5m、厚1.5m;4个分仓情况及有限元模型如图1所示。为了让混凝土产生的热量充分传递给地基, 需要建立足够大的地基模型, 所以此次建立了长100m、宽100m、厚6m的地基模型。

1) 参数选择一般岩土体热传导率为1.7～5.2W/m²·℃, 比热为0.71～0.88kJ/kg·℃;一般混凝土热传导率为2.6～2.8W/m²·℃, 比热为1.05～1.26kJ/kg·℃。综合文献和Midas FEA推荐取值, 此处选择地基岩土体和混凝土热传导率与比热分别为3.45W/m²·℃, 0.784 kJ/kg·℃及2.7W/m²·℃, 1.176kJ/kg·℃。结构温度由高温部位向低温部位传递, 传递的热量根据对流系数确定, 混凝土的内部温度由程序自动计算, 对流系数取常数50 232J/m²·h·℃, 环境温度取常数20℃。

时间依存材料特性在FEA中可以考虑徐变/收缩特性和混凝土的抗压强度变化。在大体积混凝土水化热分析中, 需要考虑弹性模量折减, 其方法是假设发生徐变, 而此处的徐变并不参与水化热分析的徐变分析。裂缝指数利用规范提供的公式计算抗拉强度和弹性模量。混凝土抗压强度发展系数与水泥的种类有关, a取13.9, b取0.86。

2) 边界条件水化热分析模型中建立地基时, 一般将地基下部的边界条件设为完全固结。混凝土产生的热量将充分传递给地基, 后续不再传递温度, 也不存在温差, 所以不发生相对位移。对于不同时间浇筑的混凝土块, 其侧面的边界条件有所不同, 首浇块的侧面均无约束, 后浇块侧面有先浇的混凝土块, 则其侧面的边界条件简化为固结。如分仓 (3) 浇筑之前仓块 (1) 四周侧边无约束, 而浇筑以后, 分仓 (1) , (3) 间为固结。此处设定地基基础底部和四周为固定温度边界, 同时设定暴露于空气中的混凝土表面为对流边界。

3) 荷载此处荷载的作用考虑热源, 即只需要把各热源函数都定义在一个热源荷载组中即可, 本文热源函数的选择为按照规范选取。

4) 定义水化热本文模拟的3块分仓浇筑顺序为: (1) → (3) → (4) 。此处为得到不同浇筑顺序下混凝土温度场的变化情况, 假设首先浇筑分仓 (1) , 10d后浇筑分仓 (3) , 再隔10d浇筑分仓 (4) 。为观察温度场的变化情况, 每个分仓提取浇筑后5, 10, 24, 48, 72, 96, 120, 144, 168, 192, 216, 240h (共设12个分步进行) 的温度场数据并进行分析和研究。

根据Midas FEA建模及分析过程所得分别浇筑分仓 (1) (3) (4) 后各自的温度场情况, 得到不同阶段温度场的变化情况及最终的温度场, 本文选择分仓 (1) 浇筑完毕后分仓 (1) 混凝土底板顶部和底部温度场 (见图2) , 分仓 (3) 浇筑完毕后分仓 (1) (3) 混凝土底板顶部和底部温度场 (见图3) , 分仓 (4) 浇筑完毕后分仓 (1) (3) (4) 混凝土底板顶部和底部温度场 (见图4) 以及分仓 (4) 浇筑完毕后分仓 (3) , (4) 接触处温度场 (见图5) 情况进行分析研究。

由图2可知, 分仓 (1) 浇筑完毕10d后, 由于基础顶板处于散热环境中, 边界设置为对流边界, 所以散热快, 表面水化热产生的温度场没有明显差异, 且混凝土底板外表面与空气接触面积大, 底部与地基接触的热交换较慢, 所以散热较慢, 底部应力呈明显的环状分布, 且中心点处的温度比边界处大得多, 受边界条件影响, 温度场突变主要集中在外侧边缘一定范围内, 中心绝大部分温度分布较均匀。后浇段分仓 (3) 浇筑以后, 经过很长时间的散热, 分仓 (1) 的温度场已恢复到环境温度, 而分仓 (3) 的顶板也相对均匀, 底部由于散热以及与分仓 (1) 接触的影响, 上、下左边呈同心分布, 与分仓 (1) 接触的部分温度较高, 且接触位置有突变。浇筑后浇段分仓 (4) 以后, 经过一定时间的散热, 分仓段 (1) (3) 的温度场已恢复到环境温度, 而分仓 (2) 的顶板也相对均匀, 底部由于散热以及与分仓 (1) (3) 接触的影响, 上下左边呈同心分布, 与分仓 (1) (3) 接触的部位温度较高, 特别是对分仓 (3) 的影响明显, 导致两分仓接触带分仓 (3) 边缘处温度明显增加。从图2～5还可看出, 任一浇筑分仓的温度变化过程中, 底部温度高于顶部, 且呈递变趋势, 中心点处的温度高于周边。

3 个分仓顶部和底部中心节点处温度变化情况如图6所示, 图中N:6 880和N:9 253分别表示分仓 (1) 顶部和底部中心点;N:8 640和N:8 116分别表示分仓 (3) 顶部和底部中心点;N:6 062和N:7 227分别表示分仓 (4) 顶部和底部中心点。从图6中可以看出, 浇筑后开始1～3d, 混凝土中心节点处温度升高较快速, 达32.31℃, 浇筑时间往后推移, 混凝土进入逐渐降温阶段, 约10d后, 混凝土逐渐降低到环境温度。此阶段混凝土底面与表面的温度梯度、表面与环境的温度梯度导致混凝土热传导、热对流, 从而造成混凝土的降温。当混凝土浇筑240h (10d) 时, 混凝土内部最高温度从之前的32.31℃约降到环境温度20℃, 且10d后的温度相当平稳。

为评价和分析研究成果的合理性, 本项目在跳仓施工缝位置共布置10个温度变形裂缝观测点, 地下室顶板和底板分别布置32, 13个沉降变形裂缝观测带, 并在地下室顶板和底板中心点布设20个温度监测点。根据温度监测数据可得监测过程中混凝土中心节点处温度最高达34.5℃, 实际监测值相比有限元模拟所得结果, 前者偏小, 实际偏大, 因为计算模型采用了平均时间段的弹性模量假定, 另外进行有限元模拟时, 一般将地基下部的边界条件设为完全固结 (混凝土产生的热量充分传递给地基, 后续不再传递温度, 也不存在温差, 所以不发生相对位移) , 设定较为理想的状态, 而实际工程中, 基础的传热和弹性模量变化都与实际情况有关。

上述数值模拟和实际监测数据与规范所提相邻仓间隔7d的浇筑时间有所差别, 但差别不大, 研究方向应着重针对混凝土浇筑早期60h内温度下降段的下降速率较快, 之后较慢, 则施工条件、养护措施良好的工程可适当缩短施工相邻分仓的混凝土浇筑间隔期。

利用有限元软件Midas FEA对昆明市某城市棚户区改造项目顶板大体积混凝土跳仓施工进行模拟, 分析研究不同分仓混凝土水化热和温度场的关系, 并分析末分仓浇筑完毕后的温度应力。

1) 水化热与温度的关系将前浇块和后浇块置于新旧混凝土接触面上, 后浇块会把自身的温度传给前浇块, 同时前浇块又影响后浇块的温度变化, 但该影响只发生在接触面附近, 并不足以影响混凝土块中心点处的温度。

2) 由于混凝土表面暴露于空气中, 与空气有直接热量交换, 所以该表面的混凝土温度会迅速降低, 而与地基接触的表面则温度较高, 且由中心点向外逐渐降低。

3) 分仓分段浇筑能大大降低温度应力, 使混凝土温度应力远远小于抗拉强度, 有效降低混凝土开裂风险, 从而保护混凝土结构。