刘增威；邴兴飞；魏强；邱童；宋雅东；
青岛中青建安建工集团有限公司；中嘉建盛建工集团有限公司；中青建安集团有限公司
摘要
由于一次性整体浇筑巨大体量的混凝土，对于施工作业及操作来说，对控制混凝土浇筑，振捣质量，养护措施等施工过程中的质量控制会比较难，因此，本计算主要是借助理论研究方法，采用有限元方法对整体一次性浇筑、分三层浇筑、分五层浇筑这三种不同的大体积混凝土设备基础进行水化热仿真模拟，着重对比三种不同施工方案对应的基础混凝土结构在0-90d龄期内的应力场的变化规律，并结合大体积混凝土规范的一些措施和技术要点，欲想采用分层浇筑方案来实现本项目的振动试验台大体积混凝土基础的施工，借理论研究为实际大体积混凝土施工提供一定的理论指导建议，以便指导实际施工用。
引言
对于这样的大体积混凝土浇筑过程中混凝土会产生大量的水化热，一旦结构出现散热不均匀或散热缓慢，在结构受到内外约束的情况下振动台自身将产生很大的温度应力，导致裂缝的出现，这将影响振动台的正常使用，严重时可能导致振动台基础报废，因此在基础施工前对振动台基础进行不同浇筑施工进行仿真模拟，计算分析基础施工时温度场的分布变化规律，这将对振动台基础实际施工提供很好的参考借鉴作用。
1 工程概况
本项目振动试验台设备基础，结构尺寸：长49m×宽20m×厚10m，设计为C40抗渗混凝土，抗渗等级P8，垫层采用厚100mm的C15混凝土。本次基础混凝土体量巨大，为大体积混凝土结构。
2计算内容
采用有限元方法对高速磁浮列车实验中心设备基础整车走行系统振动试验台设备基础大体积混凝土施工整体浇筑与分三层、分五层浇筑方案进行有限元仿真模拟，分析其在0-90d的不同龄期下的基础结构内部温度场的变化规律，着重从理论角度为实际大体积混凝土施工提供一定的理论指导建议。
表2.2-1 整体浇筑与分三层、分五层浇筑方案不同浇筑龄期安排表
龄期 整体
浇筑 分三层浇筑 分五层浇筑
/ / 第一层 第二层 第三层 第一层 第二层 第三层 第四层 第五层
1d 1d 1d 1 d
2d 2d 2d 2d
3d 3d 3d 3d
5d 5d 5d 5d
7d 7d 7d 7d
9d 9d 9d 9d
12d 12d 12d 12d
15d 15d 15d 15d
20d 20d 20d 20d 20d 20d
25d 25d 25d 25d 25d 25d
30d 30d 30d 30d 30d 30d
35d 35d 35d 35d 35d 35d 35d 35d
40d 40d 40d 40d 40d 40d 40d 40d
45d 45d 45d 45d 45d 45d 45d 45d
50d 50d 50d 50d 50d 50d 50d 50d 50d
55d 55d 55d 55d 55d 55d 55d 55d 55d
60d 60d 60d 60d 60d 60d 60d 60d 60d
65d 65d 65d 65d 65d 65d 65d 65d 65d 65d
70d 70d 70d 70d 70d 70d 70d 70d 70d 70d
75d 75d 75d 75d 75d 75d 75d 75d 75d 75d
80d 80d 80d 80d 80d 80d 80d 80d 80d 80d
85d 85d 85d 85d 85d 85d 85d 85d 85d 85d
90d 90d 90d 90d 90d 90d 90d 90d 90d 90d
具体不同浇筑方案对应的施工阶段划分，对应分层浇筑，每个施工阶段之间的时间间隔是15天，如下图所示。
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4 不同浇筑方案数据对比与分析
采用有限元方法对振动试验台基础大体积混凝土结构的施工整体浇筑、分三层、分五层这三组不同浇筑方案进行有限元仿真模拟，分析其在0~90d的不同龄期下基础结构内部温度场、应力场的受力变化规律，为了清晰对比一些典型温度场节点，应力场节点的受力情况，特在混凝土结构内部、表面等受力较大的典型区域摄取一些节点来观察0~90d的不同龄期下的受力变化趋势和峰值，具体如下。
4.1 应力场数据对比与分析
应力场趋势点选择分层浇筑块上下表面接触区及整体浇筑内部及上表面的一些应力受力较大的节点，来查看主应力变化规律，全部浇筑完成后的上表面节点分别为node 96420、node 62264、node 79258、node 103530、node 96799、node 99928，并提取三种不同浇筑方案在全部混凝土浇筑后20d龄期时3/4模型对应的主应力云图，用于对比整体应力的变化，具体如下示意图。
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由上述待全部混凝土浇筑后20d龄期时3/4模型对应的主应力云图及全部浇筑后一些典型区域节点应力时程线可以发现：采用整体一次性浇筑方案施工对结构整体主拉应力影响还是比较大的，数值上也较大，混凝土浇筑后20d龄期左右时表面主拉应力值大部分约在1.7MPa~5.6MPa，部分受力较大区域的典型节点对应的主拉应力超过8MPa，其中应力变化规律也呈现先增加后减少的趋势，在5d~15d内应力峰值相对其他龄期比较显著。而采用分三层、分五层的浇筑方案施工时基础混凝土结构整体主拉应力相对整体一次性浇筑方案显著降低，数值降低幅度也比较大，待全部混凝土浇筑后20d龄期左右时表面主拉应力值大部分约在0.6MPa~3.0MPa、0.4MPa~2.2MPa，部分受力较大区域的典型节点对应的主拉应力大部分均在2MPa范围内，少部分点在3MPa~5MPa之间。但从同轴上各分层表面应力曲线可以发现，采用整体一次性浇筑，只有最上表面应力呈现拉应力趋势，其他内部应力在早期均为受压状态，而分三层浇筑和分五层浇筑，在浇筑不同分块后对浇筑块的上表面均出现一定的拉应力现象，在未考虑钢筋抗裂影响作用下，纯混凝土因水化热及收缩徐变同时影响的情况下，早期在各分层浇筑块上表面的大部分拉应力值约在1.0MPa~3.0MPa，局部在4.0MPa~6.0MPa，如果采用分层浇筑施工，需加强对各分层浇筑块的混凝土施工质量、表面养护等控制，以确保满足各浇筑层表面混凝土的抗拉性能。由于本计算没有考虑钢筋的影响，钢筋对混凝土开裂有抵抗作用，对混凝土结构抗裂是有利的，单从三种不同浇筑方案施工的应力趋势上来看，本着定性分析为主，定量分析为辅的原则，在边界、参数、荷载等相同因素影响作用下，对比整体一次性浇筑、分三层浇筑、分五层浇筑，从理论上研究可以发现，在全部混凝土浇筑完成后，分三层浇筑和分五层浇筑在混凝土内部及表面结构应力要小于整体一次性浇筑，但由于分层浇筑（分三层或五层）施工方案，在实际施工过程中，各分层浇筑块的上表面均出现不同程度的拉应力，如果采用分层浇筑，需要加强相关混凝土施工质量及表面养护等控制。
6建议
本计算主要是将有限元法应用于解决振动试验台基础大体积混凝土施工0-90d龄期内的结构温度场、应力场等问题，由于材料热工参数取值的偏差、现实情况的复杂和多变性，以及施工现场对混凝土浇筑质量控制的把关，有限元计算结果亦不可避免地与实测值有所偏差，但从定性为主、定量为辅的原则、单从结构工程和力学分析角度出发，亦能判断出整体一次性浇筑、分三层浇筑、分五层浇筑这三种不同浇筑施工方案三者之间的受力差异性，借此从理论角度给实际施工提供一定的理论指导意见。由于大体积混凝土施工还有很多其他因素需要考虑，实际施工时建议做好信息化施工要求，重视现场对混凝土施工过程中的监测，在混凝土内部设置温度测点，根据实测值随时调整养护或其他措施，保证内外温差满足相应规范要求。