大体积混凝土温度场应力场影响因素分析

摘要 大体积混凝土结构具有结构体量大、水泥水化热散热困难、对裂缝的控制要求高等特点。本文通过大型有限元软件MIDAS/GEN进行模拟分析，探讨了混凝土板厚度、混凝土保护层厚度及混凝土后期强度对其的影响程度。为了量化研究保护层厚度的作用，本文引入“虚拟混凝土”，根据传热系数等效的原则将保温层厚度折算成混凝土虚拟厚度，本文发现混凝土拉应力峰值出现的时间比温度峰值晚，呈现出应力滞后现象，一般而言，时间上滞后约10天左右。同时发现只要控制温度应力不超过抗拉强度，即使混凝土的里表温差超过25℃，也不会出现裂缝。

关键词 大体积混凝土 虚拟混凝土 混凝土后期强度

1 绪论

大体积混凝土结构不同于一般的混凝土结构。它具有结构体量大、水泥水化热散热困难、对裂缝的控制要求高等特点。“大体积混凝土”最早出现在水利工程中，在该工程领域的建设应用中，科技工作者做了大量的工作，包括：理论研究、软件模拟、施工方法、实践经验及优化方案等，并制定了一系列相应的规范和规程。然而，桥梁工程中采用的大体积混凝土与水利水电工程中的大体积混凝土存在很大差异。一般而言，桥梁工程或建筑工程中的大体积混凝土相比之下厚度较薄，体积较小；混凝土设计强度较高，混凝土单位水泥用量较大；连续性浇筑要求较高；混凝土结构多在地下或半地下，受外界条件影响相对较小。

影响大体积混凝土温度场和温度应力的因素有很多，本文通过大型有限元软件MIDAS/GEN进行模拟分析，探讨了大体积混凝土结构厚度、保护层厚度及后期强度对其的影响程度。

2 混凝土板厚的影响

大体积混凝土（如桥梁基础、高层建筑基础）越厚，则越不容易散热，中心温度越高，导致里表温差越大，相应的温度拉应力也会越大，对结构的安全越不利。本文选取混凝土板厚度分别为3米、4米、5米三种情况进行分析。

本模型定义了两种材料：C30混凝土和地基，其参数见表1：

假定环境温度为20℃，板根据C30混凝土的配合比设计，热源函数取为最大绝热温升41℃，导温系数为0.78。板尺寸为10m×10m×3/4/5m，为了消除边界效应，将下部地基尺寸取得稍大一些，为15m×15m×2m；单元采用8节点实体单元，沿厚度方向的单元尺寸为0.25米，沿厚度方向地基的单元尺寸为0.5米，见图1。

2.1 温度场

通过有限元分析，得到板厚3米时第96小时温度等值线图，如下图2所示。

2.3 计算数据的分析

1. 随着厚度由3米增大到5米，中心最高温度由55.9℃增大到59.6℃，最大里表温差也由19.4℃增大到21.9℃，增大了约13％，这是因为大体积混凝土厚度越厚，中心区域由水化热产生的热量越不容易散失，从而导致中心温度越高。

2. 最大温度拉应力也由0.93 MPa增大到1.49MPa,增大了约60％，拉应力的增长比最大里表温差的增长快很多，这主要是由于温度应力的产生有两个必要条件，即温差和约束，厚度越厚，不仅会使温差加大，而且会使混凝土收缩时受到的内约束作用加大，从而产生较大的温度拉应力。

3. 拉应力峰值出现的时间比温度峰值晚，呈现出应力滞后现象，一般而言，时间上滞后约10天左右。

4. 由于实际工程中的大体积混凝土平面尺寸较大，用平面尺寸较小的模型可能无法反映实际工程中的情况，但是能够反映板厚对大体积混凝土温度场及应力场的影响程度。

3 保温层厚度的影响

保温层的作用主要是防止大体积混凝土表面降温过快，尤其在气候寒冷的时候，以便保证结构表面有一定的温度。保温层越厚，表面散热越困难，将会减小大体积混凝土里表温差，对大体积混凝土结构有利。为了量化研究保护层厚度的作用，引入“虚拟混凝土”，根据传热系数等效的原则将保温层厚度折算成混凝土虚拟厚度，然后将实际厚度叠加虚拟厚度，则为结构模型的计算厚度。

当保温层厚度分别为2.5cm、5cm及10cm时，混凝土虚拟厚度计算见下表

结构模型采用三种材料：C30砼、地基及保温层。为了模拟保温层的传热，将其传热系数设置为与C30砼相同，弹性模量设置为一个较小的值，各种材料参数见下表5。

上部C30基础混凝土尺寸为10m×10m×3m，虚拟混凝土平面尺寸与混凝土相同，厚度根据不同保温层厚度分别设置为0.3m、0.6m及1.2m，下部地基尺寸为15m×15m×2m，计算模型沿厚度方向的尺寸为0.3米，则基础混凝土划分为10层，虚拟混凝土划分为1层、2层及4层，保温层为0.025m的有限元模型如图6所示。其余参数的选取与第2节的模型相同，但发热源仅分配给C30混凝土。下面将对这三种情况，分别进行有限元软件模拟，以得出其影响程度。

3.1温度场

3.3 计算数据的分析

1. 与没有保温层有限元模型计算的结果相比，当保温层厚度为10cm时，相应的最大里表温差由原有的19.6℃降低到10.8℃，温差降低幅度达到44.8％，这主要是由于保温层减缓了混凝土上表面的降温速率，而中心温度的变化则较小。

2. 从温度变化曲线图上可知，随着保温层厚度的增加，上表面温度曲线的降温速率减缓，从而导致最大里表温差出现的时间延后，这对大体积混凝土结构有利。

3．随着里表温差的降低，温度拉应力也由0.93MPa降低到0.59MPa，降低了36.6％；同时，最大温度拉应力出现的时间也延后，从而使混凝土强度得到一定的发展，这对大体积混凝土结构也有利。

因此，采用保温层蓄热保温对于减小混凝土温度拉应力效果比较明显。

4混凝土后期强度的利用

由于桥梁或高层建筑的施工周期长、荷载是逐步增加的，所以在配合比设计时，可利用混凝土的后期强度，如采用 、 、 取代 ，以减少胶凝材料用量，降低绝热温升最大值，从而减小温度梯度，达到降低温度拉应力的作用。以C50混凝土为例，若按照28天标准强度进行混凝土配合比设计，则需要胶凝材料约472kg，绝热温升最大值为64.1℃，若取56天和90天强度进行混凝土配合比设计，则其绝热温升最大值可降低，具体计算数据见下表8。

4.3 计算数据的分析

1.相比较C50R28，C50R56比C50R28降低中心最高温度2.3℃，降低最大里表温差1.3℃，降低应力0.12MPa。C50R90比C50R28降低中心最高温度5.6℃，降低幅度为7％；降低最大里表温差2.7℃，降低幅度为8.3％；降低应力0.23MPa，降低幅度为13％。由此可以看出，利用混凝土后期强度可以减少混凝土水化热的发热量，从而减小里表温差，达到降低温度应力的目的。

2. 在本结构模型中，最大里表温差均超过了25℃的规范限值，但最大拉应力均没有超过混凝土的抗拉强度，这说明规范中关于25℃的建议性规定能否放宽可以进一步研究和探讨。事实上，温差控制的目的是间接性的控制其温度应力，只要温度应力不超过抗拉强度，就不会出现裂缝，所以，即使混凝土的里表温差超过25℃，也不一定会产生裂缝，相反地，尽管里表温差不超过25℃，若温度应力超过了某时刻的混凝土抗压强度，也有可能产生裂缝。

5 结论

通过以上的分析，可得出以下结论：

1. 随着混凝土板厚的增大，中心区域的混凝土散热越不容易，导致中心最高温度和里表温差的增大，而且，会加大混凝土收缩时受到的内约束作用，从而混凝土板厚的增加会从温差和约束两个方面对大体积混凝土结构产生不利影响，导致混凝土温度应力的大幅增加，所以，混凝土板厚对于大体积混凝土温度拉应力的影响较大，在工程实践中必须采取足够的设计与施工措施，以控制裂缝的产生。

2. 对有限元模拟的温度场与温度应力结果进行比较，发现混凝土拉应力峰值出现的时间比温度峰值晚，呈现出应力滞后现象，一般而言，时间上滞后约10天左右。

3. 保温层的作用主要是蓄热保温，以防止混凝土表面降温过快，随着保温层厚度的增加，里表温差与温度拉应力都有较大幅度的降低；同时，最大温度拉应力出现的时间也延后，从而使混凝土强度得到一定的发展，这对大体积混凝土结构的裂缝控制也有利，因此，采用保温层蓄热保温对于减小混凝土温度拉应力效果比较明显。

4. 优化混凝土配合比，利用混凝土后期强度，可以减少混凝土水化热的发热量，从而减小里表温差，达到降低温度应力的目的，具有一定的经济性和实用性。

5. 温差控制的目的是间接性的控制温度应力，只要温度应力不超过抗拉强度，就不会出现裂缝，所以，即使混凝土的里表温差超过25℃，也不一定会出现裂缝，相反地，即使里表温差不超过25℃，也有可能出现裂缝，所以采用应力控制法才能从根本上控制其裂缝的产生。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看