堆石混凝土在大体积混凝土中的温度场分析.pdf

2 0 1 3 年 第 7 期 (总 第 2 8 5 期 ) Nu mb e r 7 i n 20 1 3( To t a 1 No 2 8 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T I E 0RETI CAL RES EARCH 堆石混凝土在大体积混凝土中的温度场分析 徐俊 ，江昔平 ( 安徽理工大学 ，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ) 摘要 ： 在相同条件下 ， 以普通混凝土和堆石混凝土技术对大体积混凝土进行浇筑模拟， 对其所产生的温度场分布的云图进行 了对 比， 论证了堆石混凝土内部水化热产生更加少 ， 温度 比普通混凝土更加低 ， 对大体积的裂缝控制更加有效。 关键词 ： 大体积混凝土 ；堆石混凝土 ；有限元法；温度应力仿真 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 3 3 0 4 Ro c k - f i l l e d c o n c r e t e i n t h e m a s s c o n c r e t e t e mp e r a t u r e f i e l d a n a l y s i s XUJ o n， J I ANG Xi p i n g ( A n h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， Ch i n a ) Abst r ac t ： Un d e r t h e s a me c on d i t i o ns ， o r d i na r y c o nc r e t e a n d r o c k fil l e d c o n c r e t e t e c h no l o g y o f ma s s c on c r e t e c a s t i ng s i mu l a t i o n， t o t he m t h e d i s t r i b ut i o n o f t he t e mpe r a t u r e fie l d p r o d uc e d b y c l o ud b e c o mp a r e d， d e mo n s t r a t e s t he i n t e ma l hy d r a t i o n h e a t o f r o c k fil l e d c o n c r e t e pr o d u c e d mo r e l e s s a nd a l s o de mo n s t r a t e s l o w t e mp e r a t u r e t h a n n o r ma l c o nc r e t e a nd c r a c k c o n tro l o f ma s s mo r e e ffe c t i v e Ke y w or ds ： ma s s c o n c r e t e； r o c k fil l e d c o nc r e t e； fin i t e e l e me n t me t h o d； t e mp e r a t u r e s t r e s s s i mu l a t i o n 1 堆石混凝土技 术简介 堆石混凝土施工专利技术在国际工程界属于首创 ， 堆 石混凝土 ( r o c k fi l l e d c o n c r e t e ， R F C) 施 工技术 的概念 2 0 0 3 年 由清华大学金峰教授 和安雪晖教授提出， 是在 自密实混 凝土 ( s e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e ， S C C) 技术 的基础 上发展起 来的一种新型的大体积混凝土施工技术方式。 该 技术 主要 由堆石( 粒径大于 3 0 c m 的碎卵石 ) 先入仓 ， 其次 浇筑 自密 实混凝土两道工序组成 ； 利用 自密实混凝土本身所具有 的 卓越 的流动填充性 ， 很好地无需人工振捣填充所有堆石体 中的空隙 ， 从而形成有较高强度 的密实 混凝 土。 这样的施 工技术称为堆石混凝土施工技术 ， 其施工示意图如图 1 。 实混 凝土 板 图 1 R F C施工技术示意图 堆石混凝土虽然是一种新型的施工技术 ， 但是发展 至 今 ， 已经在 国内诸 多大体积混凝土的水利工程 中得到实 际 收稿日期：2 0 1 3 0 1 ) 7 应用 ， 并且取得较好效果。 如北京军区某重力大坝工程 、 河 南宝泉抽水 蓄能电站 、 四川金沙江向家坝水 电站等。 堆石混凝土技术具有施工工艺相对 简单 、 成 本低 、 水 化温升低 、 施工速度快等优点 ， 特别适合应用于房建 、 市政 、 水利等诸多行业 的大体积混凝土施工 中， 具有广 阔的发展 空间。 2 大体积混凝土的热力学模拟的重要性 大体积混凝土的结构 目前大量出现， 大体积混凝土的裂 缝问题 目前也是炙手可热 ， 其裂缝最主要的产生因素是? 昆 凝 土内部 的水化热引起的。 所以， 在浇筑混凝土的施工过程中 水化热分析和裂纹控制的措施引起工程界的高度重视。 大体积混凝土的浇筑过程 中， 影响其 内部温度场 的因 素有很多 ， 如环境温度 、 浇筑混凝土初始温度 、 分层浇筑 的 浇筑层厚度 、 弹性模量 、 混凝 土本身 的水化热 、 徐变 、 外界 的约束 ， 外界 的温度变化 、 施工浇筑进度等。 规范 中虽然给 出了混凝土浇筑过程 中的计算混凝土的表面温度和 中心 最高温度经验公式 ， 但是无法全方位的考虑混凝土受到连 续变化 的外界气温 的影响和混凝土 内部温度场连续分布 的影响因素 ， 因而在实际使用过程中受到种种局限。 要想弄清大体积混凝土的温度问题 ， 最有效的方法就 是利用计算机对实际进行仿真分析， 综合考虑各种影响因 素 ， 利用试验得到的热工参数 ， 对混凝土进行温度应力 模 拟 ， 给大体积混凝 土现场施工给出宝贵实际的建议 。 33 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 采用大型商用有限元软件 A N S Y S 计算施工过程中的 温度场不仅可以较为准确地模拟混凝土浇筑施工过程 中 各种因素产生的影响， 而且还可以充分考虑各个因素随时 间的变化。 软件应用的关键在于单元的选取、 热工参数( 水 化热质量热容率 、 导热系数 、 质量热容等 ) 的设置 ， 网格划 分以及初始条件和边界条件的设置， 这些参数直接影响计 算 的准确性。 本研究结合一个正六面体工程的大体积混凝土水化 热温度场的计算， 使用 A N S YS 软件对整个浇筑过程进行 分析计算， 整个计算分析过程使用 A N S Y S的A P D L语言 编写程序命令流， 在其他条件均一致的情况下， 将C 2 0普通 混凝 土与堆石混凝土浇筑 的温度场结果 比较 ， 论述 了堆石 混凝土更加有效 的控制 了水化热 ， 降低了混凝土内部最高 温度。 论证 了新型的堆石混凝土施工技术在大体积混凝土 中的控制水化热和裂缝产生 的卓越性。 3 瞬态热分析理论 3 1 热传导方程 混凝土内部温度场计算的实质是热传导方程在特定 边界条件和初始条件下的求解 。 三维瞬态温度场 的热传导 方程为 ： O T = ( + + )+ O tcp O z ( 1 ) a a a 式中： A 导热系数 ； c 质量热容 ； 时间； p 密度 ； 混凝土的绝热温升 。 3 2 初始条件与边界条件 满足热传导方程的解有无穷多个， 为了确定所需的温 度场， 还必须要知道物体其他特定的相关条件， 其中最重 要的就是初始条件与边界条件。 初始条件与边界条件合称 为定解条件 ， 两者一起决定 了问题的唯一解。 ( 1 )初始条件 。 温度场是坐标 的已知函数形式 ， 即 t = 0时， 用 ( ， y , z ， 0 ) = T o ( x ， Y ， z ) 表示 ； 多数情况下 ， 初始 的温度 分布是常数 ， 即 t = 0时 ， 用 ( ， y ， z ， 0 ) = T o ( ， ， ， z ) = 常数。 比如： 混凝土浇筑的初始温度， 基岩的初始温度等为 一 常数。 ( 2 ) 边界条件。 边界条件可分为三大类 ： 第一类边界条件， 假设混凝土的表面温度 是时间 t 的 函数。 即： ， y ， z ， t ) ； 混凝土与基岩发生直接接触， 那么混凝土的表面温度 与基岩的温度一样， 这种情况属于第一类边界条件。 第二类 边界条件 ， 假设混凝土 的表面热流量是时间 t 的已知函数 。 一 A = _0 1 ) ，如果物体表面是绝热的， 则有 O T：0； a 凡 3 4 第三类边界条件 ， 第三类边界条件假设经过混凝土表 面的热流量与表 面温度 和环境气温之差成正 比。 即有 ： 一 A = ( ) 。 n 混凝土边界与空气接触， 存在与空气的热交换， 这种 情况属于第三类边界条件。 4 质量热容率 HG E N 三维 瞬态热传导方程式求解中 ， 还需求得混凝土的绝 热温升。 但是， 在A N S Y S中不能直接定义混凝土的绝热温 升数值 ， 需要做一定的数学转换 。 在 A N S Y S中 ， 混凝土的 绝热温升通过生热率 H G E N来实现。 生热率就是单位时间 内混凝土的生热量 ， 即 ： HGE N： ( 2 ) 出 式中 ： H G E N 混凝土水化生热率 ， k J ( m h ) ； O ( ) 混凝土产生的热量 ， k J 。 首先 ， 混凝土的绝热温升估算如式( 3 ) ： ( ) ： ( W+ k F ) ( 3 ) c p 式中： ( ) 混凝土龄期为 t 时的绝热温升 ， ； 每立方米混凝土胶凝材料用量 ， k g m ； F 单位体积混凝土混合材用量 ， k g m 。 ； C 混凝土的质量热容， k J ( k g K) ； p 混凝土的重力密度 ， k g m ； k 折减系数。 因而， 混凝土 中产生的热量为 ： Q ( ) = Q ( ) ( W+ k F ) = O ( t ) c o ( 4 ) 堆石混凝土的重要组成部分是 自密实混凝土。 绝热温 升数据对堆石混凝土而言至关重要。 本仿真模拟试验采用 强度等级 C 2 0自密实混凝土堆石率 5 5 的堆石混凝土， 其 配合比如表 1 所示 。 表 1 堆 石率 5 5 的堆石 混凝 土配 合 比 材料 水泥 粉煤灰 石子堆石 水 砂外加剂 用 量 ( k g m ) 7 7 0 1 2 7 8 3 7 4 0 1 5 3 4 5 9 4 5 3 4 4 3 2 4 经清华大学潘定才推导，其绝热温升理论曲线为， 其 绝热温升 曲线如图 2 所示 。 龄 期 ， d 图2 5 5 堆石率 R F C温升 曲线 堆石率 5 5 的 R F C的绝热温升为 ： Q ( ) = Q ( ) ( W+ k F ) = O ( t ) c p = 1 4 2 x ( 1 - e m 抛 ) x 0 8 7 2 2 5 0 0 = 3 0 9 5 6 x ( 1 - e ) ( 5 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 8 普通混凝土第 5 层浇筑温度场等值线 外表面与空气接触 ， 在空气的对流环境中， 不断 的向空气 中 释放热量 ，因此大体积混凝土外表面温度要 比混凝土 内部 要低与实际完全相符 。 ( 2 ) 大体积混凝土内部的温度等值线呈圈形分布。 混凝 土在浇筑的过程 中， 随着施工层数的递增 ， 中心部位的温度 也是逐渐递增 ， 圈形范围逐渐缩小 。 而 中心部位 向外温度 逐渐递减 ， 符合浇筑规律 。 ( 3 ) 混凝 土每一层 的浇筑 ， 普通混凝 土中心部 位最高 温度始终大于堆石混凝土 中心最 高温度。 说 明了堆石混凝 土产生的水化热热量要小于普通混凝土所产生的。 由浇筑 的第五层图 8 、 9 可知， 此时普通混凝土内外温度梯度值将 近 1 4 ， 而堆石 昆 凝土内外温度梯度值只达到 1 O 。 产生 上接第 3 2页 锈蚀程度较大时， 模型可有效预测不 同锈蚀程度下钢筋与 混凝土之间的黏结强度 。 ( 3 ) 对于有箍筋配制时锈蚀钢筋与混凝土之间黏结强 度 的理论模型 ， 模 型可有效 预测不同锈蚀程度下钢筋与混 凝土之间的黏结强度 ， 但当钢筋锈蚀程度较大时， 应考虑 箍筋对保证开裂混凝土对钢筋约束力能力水平的降低， 建 议在本研究模型的基础上乘以 0 8 的降低系数。 参考文献 ： 【 1 】WA NG X i a o h u i ， L I U Xi l a B o n d s t r e n g t h n mo d e l i n g f o r c o r r o d e d r e i n f o r c e m e n t s 叨 C o n s t r u c t i o n a n d b u i l d i n g m a t e r i a l s ， 2 0 0 6 ， 2 0 ( 3 ) ： 1 77 1 8 6 2 】B HA RG AVA K， GHO S H A K， MOR I Y， e t a1 Mo d e l s f o r c o r r o s i o n - i n d u c e d b o n d s t r e n g t h d e g r e d a t i o n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 7， 1 0 4 ) ： 5 9 4 6 0 3 3 HUS S E I N L An aly t i c a l mo d e l i n g o f b o n d s t r e s s a t s t e e l - c o n c r e t e i n t e r f a c e d u e t o c o r r o s i o n D T o r o n t o ， R y e r s o n U n i v e r s i t y ， 2 0 1 1 4 】 高向玲， 李杰 冈 筋与混凝土黏结强度的理论计算与试验研究叨 3 6 温度裂缝的理论温差值为 2 5 ， 两者浇筑形式都没有产生 温度裂缝的危险， 而堆石混凝土浇筑的效果更加显著。 分别 以 C 2 0的普 通混凝 土和堆石混凝 土技术对大体 积混凝土进行浇筑模拟， 对其所产生的温度场分布进行了 对比， 论证了堆石混凝土比普通混凝土在水化热产生更加 少 ， 内部温度更加低 ， 对裂缝控制更加有效 ， 同时已经前人 试验证 明， 堆石混凝 土和普通混凝土的抗压 、 抗拉 、 抗渗等 其他性能几乎一致 。 堆石混凝土浇筑这一新型技术在大体 积混凝土施工中普及具有广泛前景。 参考文献 ： 【 1 】潘定才 堆石混凝土热学性能试验与温度应力研究 D 】 E 京： 清 华大学 ， 2 0 0 9 【 2 】 刘昊 堆石混凝土综合性能试验与温度应力研究 D 】 E 京 ： 清华 大学， 2 0 1 0 3 3陈群山 大体积混凝土施工过程中的水化热分析及裂纹控制 D 】 湖北 ： 华中科技大学 ， 2 0 1 1 4 江见鲸 ， 等 混凝土结构有限元分析 M 】 E 京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 5 5 】刘睫 大体积混凝土水化热温度场数值模拟 J 1 混凝土与水泥制 品 ， 2 0 1 0 ( 5 ) 6 郝文化 A N S Y S 土木工程应用实例( 第 3 版) M 北京： 中国水利 水电出版社 ， 2 0 1 1 7 】陈才生数学物理方程 M 南京： 东南大学出版社 ， 2 0 0 8 作者简介： 徐俊( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 主要从事结 构工程研究。 联系地址： 安徽省淮南市舜耕中路 1 6 8号 安徽理工大学本部 ( 2 3 2 0 0 1 ) 联系电话： 1 5 0 5 5 4 1 8 9 3 9 建筑结构 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 4 ) ： 1 0 1 2 5 卫军， 徐港， 王青锈蚀钢筋与混凝土黏结应力模型研究 建筑 结构学报， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 1 2 1 1 6 【 6 】孙彬 ， 牛荻涛锈蚀钢筋与混凝土的黏结强度模型f J 1 建筑结构 ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 2 ) ： 3 6 3 9 7 徐有邻变形钢筋一 混凝土黏结锚固性能的试验研究 D 】 E 京： 清华大学， 1 9 9 0 8 A UY EU NG Y， B AL A GUR U P， C HU NG L a n B o n d b e h a v i o r o f c o r r o d e d r e i nf o r c e m e n t b a r s J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 0 ， 9 7 ( 2 ) ： 21 42 2 0 9 】肖小琼锈蚀钢筋混凝土黏结性能试验研究 D 】 湖南： 中南大学， 2 01 1 作者简介： 滕海文( 1 9 7 4 一 ) ， 女 ， 副教授 ， 研究生导师， 主要研究方 向： 结构耐久性分析、 结构损伤识别及维修加固。 联系地址： 北京市朝阳区平乐园 1 0 0 号 北京工业大学建工学院 ( 1 0 0 1 2 4 ) 联系电话 ： 1 3 5 8 1 9 2 5 9 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m