巨型钢管高强混凝土柱水化热温度场分析学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于《沈阳建筑大学学报》2023年第39卷第6期，由沈阳建筑大学王强等人完成，依托国家自然科学基金重大项目资助。巨型钢管混凝土柱作为超高层建筑与大型空间结构的核心承重构件，其截面尺寸通常超过1米，混凝土用量巨大。当采用C70及以上高强混凝土时，水泥用量显著增加，水化热问题尤为突出。水化热引起的温度场不均匀分布可能导致混凝土内部产生拉应力，当拉应力超过混凝土早期抗拉强度时，将引发温度裂缝，严重影响构件的耐久性与承载性能。本文通过试验与数值模拟相结合的方法，系统研究了巨型钢管C70高强混凝土柱的水化热温度场发展规律，为工程实践提供了重要的技术指导。

温度场发展规律与温控指标分析

试验结果表明，巨型钢管C70高强混凝土柱的温度场发展呈现典型的三个阶段：升温阶段、峰值阶段和降温阶段。在浇筑后的前48小时内，混凝土内部温度迅速上升，最高温度可达80至90摄氏度，内外温差可达30至40摄氏度。这一温差远超GB 50496-2018《大体积混凝土施工标准》规定的25摄氏度限值，说明传统大体积混凝土温控指标对于巨型钢管高强混凝土柱并不完全适用。

然而，尽管温控指标未达到标准限值，试验同时表明混凝土浇筑质量能够满足施工质量要求，未出现贯穿性裂缝。这一发现具有重要的工程指导意义——对于巨型钢管高强混凝土柱，由于钢管的约束作用有效抑制了混凝土的横向膨胀与开裂，温控指标可适当放宽。但这一结论的适用性需要结合具体的钢管壁厚、混凝土配合比及施工环境条件进行综合评估。

内部钢构件对温度场的耦合效应

本文的一个突出贡献在于揭示了内部钢构件对温度场的显著耦合效应。考虑内部钢构件的有限元模型计算结果与试验结果吻合较好，而未考虑内部钢构件的模型则与试验结果存在较大差异。这一发现说明，在巨型钢管混凝土柱的水化热温度场分析中，必须将内部钢构件纳入热工计算模型。

从热工机理分析，内部钢构件的热传导系数远高于混凝土（钢材约50 W/(m·K)，混凝土约2至3 W/(m·K)），因此钢构件在水化热传递过程中起到"热桥"作用，加速了热量向构件表面的散失。同时，钢构件的温度变化还受到混凝土约束的影响，两者之间存在热-力耦合效应。在有限元建模时，建议采用热-力耦合分析模型，将钢构件与混凝土的界面接触条件设置为热接触，并考虑温度场与应力场的双向耦合关系。

施工养护措施优化建议

基于本文的研究成果，提出以下施工养护优化建议：第一，混凝土配合比设计应优先选用低热水泥（如中热硅酸盐水泥或低热矿渣水泥），将水泥用量控制在350 kg/m³以下，并掺加粉煤灰或矿渣粉等矿物掺合料以降低水化热峰值；第二，浇筑温度宜控制在20至25摄氏度，避免在高温季节施工，必要时可采用预冷骨料或冰水拌合工艺；第三，浇筑完成后应及时覆盖保温材料，控制表面散热速率，避免内外温差过大；第四，在钢管内壁设置冷却水管，通过循环冷水加速内部散热，冷却水流量宜控制在2至3 L/min/m，水温不超过20摄氏度；第五，加强温度监测，在构件内部、表面及钢构件上布置热电偶，实时监测温度场变化，当内外温差超过30摄氏度时启动应急预案。