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摘要：结合两个工程实例阐述大体积混凝土基础底板温度裂缝控制技术，重点介绍温度场仿真计算和温度实時监控。
关键词：大体积混凝土 基础底板 温度裂缝 温度场 实时监控
CONSTROL TECHNOLOGY OF TEMPERATURE CRACKS
TO MASSIVE CONCRETE FOUNDATION SLAB
Kang Qing
Abstract: Based on two examples of massive concrete foundation slabs, control technology of temperature cracks is discussed, finite element method to calculate temperature field and real-time monitoring method to temperature are important introduced.
Key words: massive concrete; foundation slab; temperature crack; temperature field; real-time monitoring.
1 前言
高层建筑的片筏或箱形基础往往有厚度和面积很大的底板，它们属于大体积混凝土结构范畴。混凝土中的水泥在水化结硬过程中会产生数量可观的水化热，使混凝土结构内部温度显著升高，而混凝土表面由于散热快，升温较小。内部温度太高和内外温差过大，均将会导致混凝土结构温度拉应变大于其极限拉应变而出现开裂，这是大体积混凝土结构施工中碰到的最棘手问题，因而应进行温度裂缝控制。本文结合两个实际工程阐述其控制技术，重点介绍温度场仿真计算和温度实时监控。
工程一：南京某高层建筑其建筑面积为73500m2，由地下室3层、主楼35层和8裙房组成。地下室基础底板面积达5700m2，一次连续浇筑混凝土方量为14000m3。底板混凝土强度等级为C40，厚度从1.2m、1.8m（裙楼）、2.8m（主楼）到6.0m（电梯井部分）不等。
工程二：无锡某高层建筑地下3层，地上27层，建筑总高度为109.10m。基础底板平面尺寸80mx56.7m，厚度分别为0.60m、1.40m、1.80m和2.45m，电梯井部位厚度约为4.10m，基础底板混凝土方量约为7000m3。
2 控制技术
2.1 材料
选用水化热低和安定性好的水泥，在满足设计强度的前提下尽量减小水泥用量，可用一定量的粉煤灰取代水泥，其量宜控制在100～120kg/m3。
粗骨料最好选用温度线膨胀系数较小的石灰岩骨料，形状以碎石为佳，粒径尽量大一些，控制在在5～40mm。细骨料采用中粗砂，细度模数为2.5～3.2，含泥量小于1%。
混凝土的水灰比宜在0.4～0.6，砂率含量在40%左右，初凝时间在12～20小时，坍落度在12～16cm。还可掺加膨胀剂、缓凝剂、减水剂等外加剂，改善混凝土的性能。
2.2 设计
底板设计时可利用混凝土60d强度作为设计强度。
若混凝土浇筑在坚实的基岩或老混凝土基层时，会产生很大的外约束应力，处理不好会从结构底部开裂，并向上延伸。如在两端的1/4-1/5范围内设置滑动层，可大大削减水平剪应力，基础的计算长度可折减一半。其做法从上到下依次为：底板、油毡、滑动层、防水层。
底板钢筋采用细而密的方案，钢筋将更有效的约束混凝土的塑性变形，分担混凝土的内应力，推迟混凝土裂缝的出现，控制裂缝的扩展，减小裂缝宽度。同时应适当考虑混凝土的温度应力，配置必要的温度钢筋，在截面突变处和转折处、孔洞周边等，增加斜向构造配筋，以改善应力集中，防止裂缝出现。
2.3 施工
分层浇筑混凝土，可以使混凝土水化热尽可能快地散失，并增加混凝土的密实度，提高混凝土抗裂能力，常用以下三种方式：
全面分层（图1-a）：在整个结构平面内全面分层浇筑混凝土，并保证第一层浇完后回来浇筑第二层时，第一层浇筑的混凝土还未初凝，如此逐层进行，直至浇筑结束。该方案适用于结构平面尺寸不太大的情况，施工时从短边开始，沿长边进行。
分段分层（图1-b）：适用于厚度不太大而长度较大的结构。混凝土从底层开始浇筑，进行一段距离后回来浇筑第二层，如此依次向前浇筑以上各分层。
斜面分层（图1-c）：适用于结构长度超过厚度的三倍。振捣工作应从浇筑层的下端开始，逐渐上移，以保证混凝土施工质量。
图1 基础底板大体积混凝土浇筑方法
两个工程的经验表明，塑料薄膜加草袋的保温效果是比较好的，能有效提高混凝土表面温度，缩小混凝土内外温差，减小混凝土内部降温速度，对混凝土防裂是有利的。塑料薄膜加草袋的覆盖时间不能太短，一般应保持10～20天后，并应分期分批地拆除，切不可一次全部拆除。
混凝土养护期间要注意天气的变化，特别是寒潮来临之前一定要加强保温。寒潮能使气温在一天甚至几个小时内降温10度左右，在这么短的时间内混凝土的徐变变形来不及发挥出来，应力松弛较少，故表面极容易开裂。
3 温度场仿真分析
施工期大体积混凝土基础底板温度裂缝控制的关键是掌握温度场分布及其变化规律，施工前有必要进行温度场计算分析，根据计算结果来调整施工方案和确定温控措施。
传统的近似公式法和图表法计算简单，使用方便，但其缺点也很明显：不能考虑各种复杂的材料特性、边界条件和施工方法；假定太多，容易失真；不能推算混凝土内部温度场分布等等。近年来被广泛使用的有限元仿真技术能弥补上述缺点，能准确地反映工程中的各种复杂情况，计算值更能接近于实测值。对于工程量不大、形状比较规则的混凝土基础底板温度场可采用近似公式法和图表法计算，或根据以往经验估算；而对于体积庞大，形状不规则，施工难度大的基础底板宜采用有限元仿真计算。
我们在项目中采用通用有限元软件ANSYS，选用其热单元SOLID70按基础底板的实际尺寸进行有限元模型建立，如图2所示。该单元具有8个节点，每个节点一个自由度，适用于稳态和瞬态热分析。计算中假定材料各向同性，材料的物理参数不随温度而变化，即为常数。SOLID70具有单元死活功能，利用该功能可以模拟大体积混凝土分块分层分时施工。
图 2 “工程一”基础底板网格剖分（俯视）
基础底板表面温度通过不同的养护层向外进行对流换热，四周直接向外进行对流换热，计算时可按第三类边界条件。基础底面边界条件往往采用第一类，但实际上基础底面温度是不断变化的，取恒定值会有较大误差。我们建模时向下延伸一定深度的地基，该处的温度取土壤恒定温度，即可按第一类边界条件计算；而基础底板与地基接触面采用第四类边界条件。
有限元只是一种工具，计算结果是否合理、与实际情况是否吻合，关键取决于输入的基本参数。影响混凝土结构温度场的因素很多，诸如混凝土的热学参数，约束强弱，绝热温升，环境温度，保温性能，养护条件等，这些参数的取值应视工程的实际情况而确定，必要时应由试验确定。
4 温度场实时监控
由于大体积混凝土温度裂缝与骨料品种、配合比、外加剂和掺合料、浇筑温度、浇筑顺序、外界气温、保温措施、养护条件等直接有关，施工过程中存在很多的不定性，理论分析很难完全反映实际情况，因此施工时应进行实时监控。
大体积混凝上的温度测量方法有許多种，热电偶温度计因其有结构简单、测温范围大等优点而受到普遍欢迎，但是由于热电偶传感器存在严重的非线性和较大的冷端温度变化带来的测温误差，而限制了它的推广应用。美国DALLAS公司推出的基于“一线总线”模式的DS系列数字温度传感器，与传统的温度传感器相比具有接线简单、输出全数字信号、精度高几乎没有温漂、对电源要求不高等优点，近年来在低温测量领域被广泛采用。
我们在项目中采用DS系列中的BS18B20温度传感器作为测温原件，其技术参数：测量范围，-55℃～+125℃；测温分辨率，0.1℃；测量精度， 0.5℃；具有标定修正功能；抗干扰能力强、可靠性高。选用这种传感器，保证了对混凝土检测的准确性和连续性。
测温仪器采用与BS18B20温度传感器匹配的全自动巡回检测报警仪，基于网络总线技术，该仪表最多可配接96支DS18B20温度传感器形成多点测量系统，通过数据线将数据传输到计算机的串行端口，由专门软件进行实时数据采集和分析。其流程见图3。该方法不仅节省导线，降低成本，更重要的是方便施工，实现实时监控，达到数据采集的自动化，提高技术含量。
图3 温度实时监控流程图
平面测点应根据温度场计算结果布置在底板内部温度比较高或温度梯度大的部位，同时要在板的边缘、坑、井边等具有代表性的部位布置测点，各测点间距应尽量均匀。每个测点视底板厚度的不同设3～4个温度传感器，顶面和底面传感器布置在距混凝土表面10cm处，中间部位传感器位置可根据温度场计算结果和浇筑方案灵活布置。当布置三个传感器时，中间一个传感器布置在距顶面约0.6h（h为该测点处板厚）位置处，而不是板厚正中，因为板内最高温度往往出现在中间偏下的位置。
图4 “工程二”基础底板测温点平面布置
混凝土浇注后12小时开始测温，在浇筑成型初期，每2～4个小时测温一次，持续到降温过程中温差峰值出现后；此后逐渐减小测温频率。当基础底板混凝土内外温差超过控制标准（一般取25oC）时，应采取相应保温措施降低温差。图5为测点I-3测温结果。
图5-1 Ⅰ-3温度随时间变化曲线 图5-2 Ⅰ-3温差随时间变化曲线
5 结论
大体积混凝土基础底板温度裂缝控制是一个综合性问题，要从设计设计，到施工的选材、配合比设计、浇捣和养护等方面全盘考虑，有条件时应采用有限元进行温度场模拟计算，制定周密的施工和温控计划，并应对温度场进行实时监测，必要时应根据测温结果及时调整温控方案。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词：大体积混凝土 基础底板 温度裂缝 温度场 实时监控
CONSTROL TECHNOLOGY OF TEMPERATURE CRACKS
TO MASSIVE CONCRETE FOUNDATION SLAB
Kang Qing
Abstract: Based on two examples of massive concrete foundation slabs, control technology of temperature cracks is discussed, finite element method to calculate temperature field and real-time monitoring method to temperature are important introduced.
Key words: massive concrete; foundation slab; temperature crack; temperature field; real-time monitoring.
1 前言
高层建筑的片筏或箱形基础往往有厚度和面积很大的底板，它们属于大体积混凝土结构范畴。混凝土中的水泥在水化结硬过程中会产生数量可观的水化热，使混凝土结构内部温度显著升高，而混凝土表面由于散热快，升温较小。内部温度太高和内外温差过大，均将会导致混凝土结构温度拉应变大于其极限拉应变而出现开裂，这是大体积混凝土结构施工中碰到的最棘手问题，因而应进行温度裂缝控制。本文结合两个实际工程阐述其控制技术，重点介绍温度场仿真计算和温度实时监控。
工程一：南京某高层建筑其建筑面积为73500m2，由地下室3层、主楼35层和8裙房组成。地下室基础底板面积达5700m2，一次连续浇筑混凝土方量为14000m3。底板混凝土强度等级为C40，厚度从1.2m、1.8m（裙楼）、2.8m（主楼）到6.0m（电梯井部分）不等。
工程二：无锡某高层建筑地下3层，地上27层，建筑总高度为109.10m。基础底板平面尺寸80mx56.7m，厚度分别为0.60m、1.40m、1.80m和2.45m，电梯井部位厚度约为4.10m，基础底板混凝土方量约为7000m3。
2 控制技术
2.1 材料
选用水化热低和安定性好的水泥，在满足设计强度的前提下尽量减小水泥用量，可用一定量的粉煤灰取代水泥，其量宜控制在100～120kg/m3。
粗骨料最好选用温度线膨胀系数较小的石灰岩骨料，形状以碎石为佳，粒径尽量大一些，控制在在5～40mm。细骨料采用中粗砂，细度模数为2.5～3.2，含泥量小于1%。
混凝土的水灰比宜在0.4～0.6，砂率含量在40%左右，初凝时间在12～20小时，坍落度在12～16cm。还可掺加膨胀剂、缓凝剂、减水剂等外加剂，改善混凝土的性能。
2.2 设计
底板设计时可利用混凝土60d强度作为设计强度。
若混凝土浇筑在坚实的基岩或老混凝土基层时，会产生很大的外约束应力，处理不好会从结构底部开裂，并向上延伸。如在两端的1/4-1/5范围内设置滑动层，可大大削减水平剪应力，基础的计算长度可折减一半。其做法从上到下依次为：底板、油毡、滑动层、防水层。
底板钢筋采用细而密的方案，钢筋将更有效的约束混凝土的塑性变形，分担混凝土的内应力，推迟混凝土裂缝的出现，控制裂缝的扩展，减小裂缝宽度。同时应适当考虑混凝土的温度应力，配置必要的温度钢筋，在截面突变处和转折处、孔洞周边等，增加斜向构造配筋，以改善应力集中，防止裂缝出现。
2.3 施工
分层浇筑混凝土，可以使混凝土水化热尽可能快地散失，并增加混凝土的密实度，提高混凝土抗裂能力，常用以下三种方式：
全面分层（图1-a）：在整个结构平面内全面分层浇筑混凝土，并保证第一层浇完后回来浇筑第二层时，第一层浇筑的混凝土还未初凝，如此逐层进行，直至浇筑结束。该方案适用于结构平面尺寸不太大的情况，施工时从短边开始，沿长边进行。
分段分层（图1-b）：适用于厚度不太大而长度较大的结构。混凝土从底层开始浇筑，进行一段距离后回来浇筑第二层，如此依次向前浇筑以上各分层。
斜面分层（图1-c）：适用于结构长度超过厚度的三倍。振捣工作应从浇筑层的下端开始，逐渐上移，以保证混凝土施工质量。
图1 基础底板大体积混凝土浇筑方法
两个工程的经验表明，塑料薄膜加草袋的保温效果是比较好的，能有效提高混凝土表面温度，缩小混凝土内外温差，减小混凝土内部降温速度，对混凝土防裂是有利的。塑料薄膜加草袋的覆盖时间不能太短，一般应保持10～20天后，并应分期分批地拆除，切不可一次全部拆除。
混凝土养护期间要注意天气的变化，特别是寒潮来临之前一定要加强保温。寒潮能使气温在一天甚至几个小时内降温10度左右，在这么短的时间内混凝土的徐变变形来不及发挥出来，应力松弛较少，故表面极容易开裂。
3 温度场仿真分析
施工期大体积混凝土基础底板温度裂缝控制的关键是掌握温度场分布及其变化规律，施工前有必要进行温度场计算分析，根据计算结果来调整施工方案和确定温控措施。
传统的近似公式法和图表法计算简单，使用方便，但其缺点也很明显：不能考虑各种复杂的材料特性、边界条件和施工方法；假定太多，容易失真；不能推算混凝土内部温度场分布等等。近年来被广泛使用的有限元仿真技术能弥补上述缺点，能准确地反映工程中的各种复杂情况，计算值更能接近于实测值。对于工程量不大、形状比较规则的混凝土基础底板温度场可采用近似公式法和图表法计算，或根据以往经验估算；而对于体积庞大，形状不规则，施工难度大的基础底板宜采用有限元仿真计算。
我们在项目中采用通用有限元软件ANSYS，选用其热单元SOLID70按基础底板的实际尺寸进行有限元模型建立，如图2所示。该单元具有8个节点，每个节点一个自由度，适用于稳态和瞬态热分析。计算中假定材料各向同性，材料的物理参数不随温度而变化，即为常数。SOLID70具有单元死活功能，利用该功能可以模拟大体积混凝土分块分层分时施工。
图 2 “工程一”基础底板网格剖分（俯视）
基础底板表面温度通过不同的养护层向外进行对流换热，四周直接向外进行对流换热，计算时可按第三类边界条件。基础底面边界条件往往采用第一类，但实际上基础底面温度是不断变化的，取恒定值会有较大误差。我们建模时向下延伸一定深度的地基，该处的温度取土壤恒定温度，即可按第一类边界条件计算；而基础底板与地基接触面采用第四类边界条件。
有限元只是一种工具，计算结果是否合理、与实际情况是否吻合，关键取决于输入的基本参数。影响混凝土结构温度场的因素很多，诸如混凝土的热学参数，约束强弱，绝热温升，环境温度，保温性能，养护条件等，这些参数的取值应视工程的实际情况而确定，必要时应由试验确定。
4 温度场实时监控
由于大体积混凝土温度裂缝与骨料品种、配合比、外加剂和掺合料、浇筑温度、浇筑顺序、外界气温、保温措施、养护条件等直接有关，施工过程中存在很多的不定性，理论分析很难完全反映实际情况，因此施工时应进行实时监控。
大体积混凝上的温度测量方法有許多种，热电偶温度计因其有结构简单、测温范围大等优点而受到普遍欢迎，但是由于热电偶传感器存在严重的非线性和较大的冷端温度变化带来的测温误差，而限制了它的推广应用。美国DALLAS公司推出的基于“一线总线”模式的DS系列数字温度传感器，与传统的温度传感器相比具有接线简单、输出全数字信号、精度高几乎没有温漂、对电源要求不高等优点，近年来在低温测量领域被广泛采用。
我们在项目中采用DS系列中的BS18B20温度传感器作为测温原件，其技术参数：测量范围，-55℃～+125℃；测温分辨率，0.1℃；测量精度， 0.5℃；具有标定修正功能；抗干扰能力强、可靠性高。选用这种传感器，保证了对混凝土检测的准确性和连续性。
测温仪器采用与BS18B20温度传感器匹配的全自动巡回检测报警仪，基于网络总线技术，该仪表最多可配接96支DS18B20温度传感器形成多点测量系统，通过数据线将数据传输到计算机的串行端口，由专门软件进行实时数据采集和分析。其流程见图3。该方法不仅节省导线，降低成本，更重要的是方便施工，实现实时监控，达到数据采集的自动化，提高技术含量。
图3 温度实时监控流程图
平面测点应根据温度场计算结果布置在底板内部温度比较高或温度梯度大的部位，同时要在板的边缘、坑、井边等具有代表性的部位布置测点，各测点间距应尽量均匀。每个测点视底板厚度的不同设3～4个温度传感器，顶面和底面传感器布置在距混凝土表面10cm处，中间部位传感器位置可根据温度场计算结果和浇筑方案灵活布置。当布置三个传感器时，中间一个传感器布置在距顶面约0.6h（h为该测点处板厚）位置处，而不是板厚正中，因为板内最高温度往往出现在中间偏下的位置。
图4 “工程二”基础底板测温点平面布置
混凝土浇注后12小时开始测温，在浇筑成型初期，每2～4个小时测温一次，持续到降温过程中温差峰值出现后；此后逐渐减小测温频率。当基础底板混凝土内外温差超过控制标准（一般取25oC）时，应采取相应保温措施降低温差。图5为测点I-3测温结果。
图5-1 Ⅰ-3温度随时间变化曲线 图5-2 Ⅰ-3温差随时间变化曲线
5 结论
大体积混凝土基础底板温度裂缝控制是一个综合性问题，要从设计设计，到施工的选材、配合比设计、浇捣和养护等方面全盘考虑，有条件时应采用有限元进行温度场模拟计算，制定周密的施工和温控计划，并应对温度场进行实时监测，必要时应根据测温结果及时调整温控方案。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看