王月華

（泰州職業(yè)技術(shù)學院建筑工程系，江蘇泰州225300）

近年來，我國橋梁事業(yè)以及其它工程建設(shè)發(fā)展迅猛，結(jié)構(gòu)形式日趨大型化、復雜化，質(zhì)量要求日趨嚴格，施工工期相對縮短，因此，大體積混凝土水化熱引起的裂縫問題越來越受到重視?，F(xiàn)以大塊體混凝土結(jié)構(gòu)作為算例分析如下:

1 溫度場計算

1.1 一維溫度場差分法

混凝土的水化熱宏觀上表現(xiàn)為混凝土凝結(jié)過程中混凝土的溫度場。根據(jù)已知的初始條件，求解熱傳導方程就可以得到混凝土的溫度場，求解方法有理論法、差分法、有限單元法?，F(xiàn)采用60m×40m×4m塊體模型計算大體積混凝土的溫度場，因其平面尺寸足夠大，可采用一維差分法計算。即對無限大平板的溫度場，設(shè)板的厚度為L，把板在厚度方向等分成n-1層，每層厚度為h=L/n－1，用差分法代替微分，然后求出不同時間各層面上的溫度值。

1.2 計算理論

1.2.1 內(nèi)點溫度計算

混凝土的一維熱傳導方程[1]為，將混凝土塊體分成n-1薄層，每層厚度為h，設(shè)Ti,τ代表第i點在τ的溫度，試取出相鄰的i-1，i，i+1三點來分析。根據(jù)差分原理，忽略截斷誤差，求出溫度的各階偏導數(shù)，再應用向前差分計算出δT/δτ及δθ/δτ，代入一維熱傳導方程，即可得到內(nèi)點溫度計算公式

1.2.2 熱傳遞的初始條件和邊界條件

（1）初始條件：一般初始瞬時的溫度分布可以認為是均勻的，在混凝土溫度計算過程中，初始溫度即為澆筑溫度[1]。

（2）邊界條件：在計算過程中，暴露表面屬于第三類邊界條件，當混凝土與空氣接觸時，表面熱流量與混凝土表面溫度T和氣溫Tα之差成正比[1]，即)，式中β是表面放熱系數(shù)。混凝土與土接觸，根據(jù)土溫變化規(guī)律，土層中的溫度場按絕熱溫升變化量Δθ =0時的內(nèi)點計算公式進行計算。

1.2.3 混凝土的絕熱溫升

假定混凝土處于上下左右都不能散熱量的絕熱狀態(tài)，可以先測定水泥水化熱[1]Q(τ)=Q0(1-e-mτ)，再根據(jù)水化熱及混凝土的比熱、容重和水泥用量計算混凝土的絕熱溫升。由于水化熱的作用，在絕熱條件下混凝土的溫度上升速度為因此，混凝土的溫度上升規(guī)律即可由)確定，從而得到混凝土的絕熱最高溫升式中W為水泥用量 （kg/m）3；Q0為每1 kg散熱量 （J/kg）；C為比熱；ρ為混凝土密度（kg/m）3。

1.3 大體積混凝土60m×40m×4m溫度場計算

根據(jù)大體積混凝土的特點，減少水泥用量，可降低水化熱引起溫升，擬采用以下計算參數(shù)：

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，代入內(nèi)點溫度計算公式、邊界計算公式和土層計算公式，經(jīng)計算得到表層溫度、中心層溫度、底層溫度數(shù)據(jù)，如圖1所示。

2 溫度應力計算

2.1 應力計算公式

為了較為確切地計算早期混凝土的溫度應力，考慮彈性模量的變化及松弛系數(shù)隨時間的變化，將溫差分為許多段ΔT，各段內(nèi)將E(τ)及H(t,τ)看作常量，最后疊加得到考慮徐變作用的應力計算公式其中，將溫升的峰值至周圍氣溫總降溫差分解為n段，ΔTi為第i段溫差；Ei(τ)為相當于第i段降溫時的彈性模量；Sh(t,τi)相當于第i段齡期τi，經(jīng)過t至τi時間的應力松弛系數(shù)；t為由峰值溫度降至周圍氣溫的時間。

2.2 應力計算

在溫度應力計算中，主要考慮基礎(chǔ)總降溫差引起的外約束力?？偨禍夭钇诎踩厝崪y最高溫升冷卻至某時的環(huán)境氣溫差（取20℃），并將總降溫差按步距3天分成臺階式。

考慮非均勻溫度分布及平均降溫差、各齡期混凝土收縮當量溫差、臺階式綜合降溫差及總綜合溫差、各齡期混凝土彈性模量的不同、各齡期混凝土應力松弛提高混凝土極限變形能力等影響因素，并將實測數(shù)據(jù)代入最大應力計算公式進行計算，計算結(jié)果如表1、表2、表3所示。

表1 溫度應力計算表

表2 溫度應力計算表

表3 溫度應力計算表

3 冷卻水管降溫計算

為避免大體積混凝土由于水化熱溫升引起的裂縫，擬采用鋼管外徑為1.25cm，水平間距為1.7m，布置24根，鉛直間距為1.6m，布置兩層，在混凝土澆筑時同時通水冷卻，計算驗證如下。

3.1 一期水管冷卻

混凝土一期水管冷卻（有熱源）由于是線形問題，可按公式[2]Tm=TW+X(T0-Tw)+X1θ0計算。式中Tm為混凝土的平均溫度（℃）；Tw為冷卻水水溫（℃）；T0為開始冷卻時混凝土初溫（℃）；θ0為混凝土絕熱溫升（℃）；X、X1為水管散熱殘留比，可查規(guī)范[2]得到。

現(xiàn)取實際計算參數(shù)值：Tw=15℃；T0=20℃；θ0=40.5℃；ac=0.0035m2/h；λc=10.0×103kJ/（m·h·℃）； b=1.0m； D=2.0m； L=1381.2m；Cw=4.187kJ/(㎏·℃ )； ρw=1000kg/m3； qw=15.0 L/min；c=0.0125m。由于 b/c=1.00/0.0125=80與圖表給出的b/c=100不符，根據(jù)換算關(guān)系[1]a'=計算得到a'=0.00368m2/h。

冷卻體的半徑[1]由計算，其中S1為水平間距，S2為鉛直間距。實際施工時，水管往往按矩形排列，冷卻效果略有降低。為了考慮這一因素，根據(jù)計算，應把冷卻面積加大7%，則冷卻體的半徑若取S1=1.7m，S2=1.6m，則b=1.00m。

3.2 混凝土最高溫度計算

由以上公式算出來的是混凝土的平均溫度，假定混凝土溫度按拋物線形分布T(y)=T0如圖2所示，式中T0為混凝土的最高溫度；h為1/2的混凝土厚度；y為混凝土沿厚度方向的值。對溫度場積分由面積相等可知進而可求出混凝土的最高溫度T0，計算如表4所示。

表4 水管冷卻溫度計算表

3.3 溫度應力計算

根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)代入溫度應力計算公式計算應力如表5所示。

由表中計算結(jié)果可知 σmax=0.11+0.12+0.14+0.22=0.59MPa，，C20混凝土，取Rf=1.3MPa，則安全系數(shù)

1.15，滿足抗裂條件，結(jié)果表明冷卻水管降低水化熱效果明顯。

表5 冷卻水管溫度應力計算表

3.4 冷卻水管布置

根據(jù)以上計算結(jié)果，采用鋼管外徑為1.25cm，水平間距為1.7m，布置24根，鉛直間距為1.6m，布置兩層，如圖3所示。

4 溫度場及溫度應變監(jiān)測

前期所做的預測性計算準確與否，要通過實際施工監(jiān)測來完成。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可對施工進行信息反饋，實現(xiàn)信息化施工。監(jiān)測點的布置要具有代表性，以真實地反映出混凝土塊體的里外溫差、降溫速度及環(huán)境溫度為原則。布置監(jiān)測點如圖4和圖5所示。測試工作每天6次，每4小時一次。6、7點只布置溫度元件，其余各點布置溫度元件和應變元件。

在溫度應力分析的基礎(chǔ)上，大體積混凝土施工過程中，加強現(xiàn)場溫度監(jiān)測與試驗，是控溫、防裂的重要技術(shù)措施，可為施工組織者及時提供塊體內(nèi)溫度變化的實際情況以及施工技術(shù)措施的效果，從而為施工組織者及時準確地采取溫控對策提供科學依據(jù)，實現(xiàn)信息化施工。

5 其他溫控綜合措施

大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制[3]，施工現(xiàn)場一般采用留永久性變形縫做法，或用冷卻水管來降低水化熱，或使用微膨脹混凝土。這些方法都需通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果反饋降熱效果，不僅造價高，而且不完全可靠。因此，大體積混凝土溫控措施是一個系統(tǒng)的工作，應從設(shè)計、材料、施工、養(yǎng)護等多方面綜合考慮：合理進行結(jié)構(gòu)平面和立面設(shè)計，避免截面突變，從而減小約束應力；合理布置分布鋼筋，盡量采用小直徑、密間距；變截面處加強分布筋；避免用高強混凝土，盡可能選用中低強度混凝土；科學地選用材料、設(shè)計配合比，用較低的水灰比、水和水泥用量；嚴格控制砂石骨料的含泥量；盡量采用保溫隔熱法對大體積混凝土進行養(yǎng)護；控制水化熱的升溫，混凝土中心與外表面的最大溫差不高于25-30℃，總降溫差30℃；控制降溫速度等，真正做到精心設(shè)計、計算、嚴格施工、精心養(yǎng)護。

6 結(jié)論

（1）大體積混凝土溫度場的預測,不管采用何種方法進行，其安全最高溫升控制在30℃以內(nèi)，內(nèi)外溫差控制在25-30℃以內(nèi)，混凝土一般不會產(chǎn)生貫穿性裂縫。

（2）溫度變化引起的應力預測。在大體積混凝土中，溫度變化引起的應力對結(jié)構(gòu)具有重要影響，應力預測結(jié)果往往可以用來判別是否需要采取冷卻水管等特殊措施降低水化熱。

（3）大體積混凝土，主要從降低溫度應力和提高混凝土極限拉伸強度兩方面，控制裂縫開展：1)做好冷卻和保溫工作。2)提高混凝土的極限拉伸、緩慢降溫，可充分發(fā)揮混凝土的應力松弛效應，提高抗拉性能，這是防止裂縫開展的有效措施。

（4） 在綜合考慮溫控措施的基礎(chǔ)上，實施溫度場和溫度應變監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對混凝土施工進行信息反饋、及時糾偏，可實現(xiàn)信息化施工。

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1999.

[2]中華人民共和國水利部.混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[3]劉秉京.混凝土技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2004.