基础筏板大体积混凝土温度场数值模拟与分析.pdf

第 3 7卷第 8期 2 0 1 0年 8月 建筑技术开发 Bu i l di n g Te c hn i q u e De v e l o pme n t Vo 1 3 7，No 8 Au g 2 01 0 基础 筏板大体 积混凝 土温度场数 值模拟 与分析 郑毅 车佳玲 张西宁 蒋耀武 1 西安曲江大明宫投资( 集团) 有限公 司， 西安7 1 0 0 3 2 ； 2 西安建筑科技 大学土木工程学院， 西安7 1 0 0 5 5 ； 3 陕西法 门寺文化景区建设有限公 司， 陕西 宝鸡7 2 2 2 0 1 摘要 以法 门寺合 十舍利塔基础筏板施工 为例 ， 根据三维热传 导理论 ， 采用有 限元软件模 拟承 台大 体积混凝 土温度 场 ， 计算 结果与工程实测相对 比 ， 表明计算结果 与实际较吻合 ； 分析不同养护情 况对混凝 土温度场 的影响 ， 结 果表 明养护情况对 混凝 土表面温度及 降温 阶段 中心处混 凝 土温度影 响很 大 ， 提 出预 防温差 过大 导致混凝 土 产生裂缝 的措施 。此方 法可为类似工程提供参考 。 关键词 】 基础承台 ； 水 化热 ； 温度场 ； 有 限元 中图 分 类号 T U 7 5 5 6 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 0 ) 0 8 - 0 0 4 3 - 0 3 A b s t r a c t Ke y w o r d s NUM ERI CAL S D ULATI oN AND ANALYS I S OF I AS S CoNCRETE D CUS HI oN CAP Zh e n g Yi Ch e J i a i ng Z ha n g Xi n i n g J i a n g Ya o WU Th e pa p e r u s e d t h e c us hi o n c a p o f t h e Pa l ms To g e t he r Da g o da i n t h e Fa me n Te mp l e a s a n e x a mpl e Ac c o r di n g t o t he t h r e e d i me n s i o n t h e r ma l c on d uc t i v i t y t he o r y， t h e fin i t e e l e me n t a n al y s i s s o wa r e ANS YS wa s e mp l o y e d t o s i mu l a t e t e mp e r a t u r e fie l d o f ma s s c o n c r e t e Co mp a ring t h e r e s u l t wi t h p r a c t i c a l d a t a， whi c h i n d i c a t e t h a t r e s ul t i s c o n s i s t e n t wi t h t h e p r a c t i c a l da t a；Us i n g t h e s o f t wa r e ANS YS， t he pa p e r a l s o a na l y s e d t h e e f f e c t s， a s a r e s ul t o f d i f f e r e n t c u ri n g me t h o d s o n t h e t e mp e r a t u r e o f c o n c r e t e， o n t h e t e mp e r a t u r e fie l d o f ma s s c o n c r e t e T h e r e s u l t s i nd i ca t e t ha t t h e c urin g me t h od s h a v e a g r e a t i n flu e nc e o n t he e x t e rio r t e mp e r a t u r e o f t h e ma s s c o nc r e t e a n d a l s o a f f ec t t h e c e n t r a l t e mp e r a t ur e g r e a t l y whe n t h e t e mpe r a t u r e b e g i n t o dr o pThe me t h o d s i n t he pa p e r c a n p r o v i d e r e f e r e n c e s f o r s i mi l a r p r o j e c t s c us hi o n ca p o f f o u nd a t i o n ；h y dr a t i o n h e a t ；t e mp e r a t ur e fie l d；fini t e e l e me n t met h o d 随着 混凝 土施 工技术的快速发展 ， 大体 积连续 浇注技 术 被越来越 多的应用 于工程实际 ， 而同时混凝 土早期 裂缝 的控 制 问题 ， 也成为困扰施工技术人 员的主要 难题 。对 大体积混 凝土而言 ， 因其体积庞大 ， 中部产生 的水化热不 能及 时排出 ， 聚集在 内部 ， 而上部混凝土散热较 快 ， 从 而产生 较大温差 ， 上 下层 因温度变形不 一 ， 相互 约束 ， 从 而产生较 大的温度 应力 ， 严重 时致使混凝 土产生裂缝 。工程实 际中 ， 混凝 土的温度分 析 比较 复杂 ， 它要 受结构 形式 、 气 候条件 、 施 工工艺 、 材料 特 性 以及施工条件 等 多种 因素 的影 响。随着有 限元 理论 和计 算机仿真技术 的发展 ， 利用大型有 限元软件对 大体积 混凝 土 施工进行数 值模 拟 ， 无 疑 会对 工 程施 工 具有 一 定 的指 导 意 义 ， 本文结合实际工程 ， 应用 有限元 软件 对施 工期 间 的温度 场进行 了 模 拟 ， 并 运 用 该 软 件 分 析 了 养 护 情 况 对 温 度 场 的影响 。 收稿 日期 ： 2 0 1 00 51 5 作者简介 ： 郑 毅( 1 9 6 6 一 ) ， 女 。 重庆人 ， 本 科学 历 ， 高 级工程 师 ， 西安 曲 江大明宫投资 ( 集 团) 有限公司总工程师 。 1工程 概 况 法门寺位于陕 西省 宝鸡 地 区扶 风县 城 以北 1 0 k m处 的 法门镇 ， 是 我国著名 的佛教寺 院 ， 其供 奉佛指舍 利的历史 ， 可追溯数千百年 。法 门寺合 十舍 利塔 属 于佛 教建 筑 ， 新 建 工 程总高度 1 4 7 m ， 宽 5 4 m( 裙房底 盘宽 2 5 3 m)， 结构设 计 为双手合十 的特殊 造型 。总建 筑 面积 为 1 0 9 1 2 2 m 。其 中 基 础底板部分平 面尺寸 为 5 4 m5 4 m， 最大厚 度 8 m( 标 高 为 一 2 2 9 0 0 m 到 一1 4 9 0 0 m) ， 最小 厚度 2 m， 混凝 土强度 等 级为 C 3 5 ， 抗渗等级为 s 8 ， 混凝 土浇筑 量约 为 1 2 0 0 0余立 方 米 ， 属于大体积 混凝 土。设计 要求 混凝 土 中心 温度 6 5 C， 内外温差 2 5 C， 最 大降温速率不超过 2 d ， 这些要求是 混 凝 土施 工时的最大难点 。 2分 析 模 型 的建 立 2 1三维有 限元模 型 本文结合工 程所做的温度监测方 案 ， 对裂缝控 制中最危 险 的 C T 6进 行单 独分析 。C T 6长 为 2 9 5 m， 宽 为 9 8 m， 高 2 0 m； 取地基厚 度为 1 5 m， 长 度为 5 0 m， 宽度 为 3 0 m。分 43 第 8期 郑 毅 ， 等 ： 基础筏板大体积混凝土温度场数值模拟与分析 第 3 7卷 析单元采用热单元 ， 该单元是 一个 具有 导热能力 的单元 ， 它 共有 8个 节点 ， 每个节点 只有一个 温度 自由度 ， 运 用此单元 建立实体 模型进行 瞬态热分析 ， 有 限元模型如 图 1 所示 ， 该 模型共 1 9 2 0 0个单元 ， 2 3 5 3 2个节点 。 图 1 A N S Y S分析模型 边界上存在空气和混凝土的热对流 ， 属于热分析 中的第 三类边界条件 ， 对 流边 界条件可 以作为 面荷载 ( 具体 输入参 数为对流 系数和空气温度 ) 施加 于实体 模型 的表面 ， 来计 算 固体和流体间的热交换。考虑钢模板 及具体 的养护 情况 ， 采 用合适的对流换热系数。确定计算时 间为 1 4 d ， 与实测大致 相 一 致 。 2 2计 算参数的选取 混凝土的热学参数 包括 ： 导热 系数 ， 比热 ， 线 膨胀 系数 ， 泊松 比等 ， 具体 取值见表 1 ， 工程 实际混凝 土配合 比见 表 2 。 土壤导热系数为 1 9 W ( m K) ； 麻袋导热系数为 0 0 3 9 W ( m K ) ； 薄膜导 热系数 为 0 0 0 7 W ( m K) 。水泥 的水化 热是影响混凝 土温度 场 的一 个重要 因素 。水 泥水化 热是依 赖于龄期 的。 表 1混凝土热学参数 混凝土参数 导热系数 比热 密度 线膨胀系数 泊松比 单位 W ( m K ) k J ( k g K ) k g m 1 0 - 。 一 参数值 2 9 7 0 9 6 2 4 0 0 9 0 1 6 7 表 2混 凝 土 配合 比 材料名称 水泥 中砂 石子 粉煤灰 膨胀剂 H SI 水 用量 ( k g m ) 3 2 0 6 3 0 1 1 2 3 l 1 0 4 0 l 2 2 l 6 5 ( 重量 比) l _ O O 1 9 7 3 5 1 0 。 3 4 O 1 3 0 0 3 8 O ， 5 2 3 计算结果与分析 3 1 有限元分析 结果 通过 A N S Y S瞬态热分 析 ， 可以得到 C T 6浇注完 2 d及浇 注完 1 2 d的温度云图 ， 如 图 2 、 图 3 所示 。由图知在第 2 d混 凝土 的最高温度为 5 8 ， 第 1 2 d的最高温度为 4 0 C， 而实测 值 在第 2 d最高温度为 5 8 7 ， 第 1 2 d最高温度为 4 5 C。取 7号点 中心 温度 与实测温度对 比 ， 如 图 4所示 ， 由图可知 ， 计 算曲线 和实测 曲线变化趋势基本相吻合 ， 二者峰值 出现的时 间也是基本一致 的， 实测最 高温度为 5 6 1 o C， 出现 峰值 的时 间在 1 5 d左 右， 计算最 高温度为 5 7 ， 5 C， 出现峰值 的时间 为 2 d左右 。 2 O 2 3 8 8 9 2 7 7 7 9 3 1 6 6 7 3 5 5 5 6 3 9 4 4 4 4 3 3 3 3 4 7 2 2 2 5 3 1 1 1 5 8 图 2第 2 d温度云 图 I 5 1 7 7 7 8 2 0 5 5 6 2 3 3 3 3 2 6 1 I 1 2 8 8 8 9 3 1 6 6 7 3 4 4 4 4 3 7 2 2 2 4 0 图 3第 1 2 d温度 云图 簧 时间 ， Il 图 4 中心温度实测与计算对 比 3 2 养护情况对温度场的影响 在大体积混凝 土 的施 工 中， 养护情 况至关 重要 ， 当养 护 条件 较差 时 ， 混凝土体 内 的水 化热温 度的 降温速率 较大 ， 使 混凝 土的松弛效果不 明显 ， 混凝 土产生较大 的温 度应力。另 外 ， 由于大体积混凝土 的尺寸 比较大 ， 和外 界的换 热面积 也 比较 大 ， 因此养 护条 件 的变 化对 大体 积混凝 土的影 响 比较 大 ， 施工养护成 为裂缝控制 的一个很 重要的手段 。有 限元 分 析结果也证 明了这 一点 ， 本文用 分别 分析 了无 养护 、 一层麻 袋一 层薄膜 、 两层麻袋 一层薄 膜三种 养护情 况下 的温度场 ， 根据 计算结果绘制 出不同养 护条件 下的 温度随 龄期 变化 曲 线图 ， 如图 5 、 图 6 ， 从图中可以看到 ， 养护条 件对大体积混 凝 第 3 7卷 郑 毅 ， 等 ： 基础筏 板大体积混凝土温度场数值模拟 与分析 第 8期 上 的表面温度 的影 响较 大 ， 当养 护情 况较 差时 ， 表 面降 温速 度较大 ， 会造成 温差加大 ， 从 而形成较大 的温度应力 ， 随着养 护情况 的加强 ， 表 面温 度逐渐 升 高。由 图 6可 知 ， 养 护情 况 对 中部温度在升温 阶段 影响 不大 ， 而 在降 温阶段 ， 养护对 中 部温度影响较大 。 图 5不 同养 护情况下表面温度变化 时程 图 6 不 同养护情况下 中心温度变化时程 4结 论 通 过本 文的计算和分析 ， 得 到以下结论 ： 1 ) 通过现场监测 和计算机模拟计算结果 的对 比， 可以看 出采用有 限元方 法对 大体积 混凝 土施 工期 间温度 场进行 模 拟 。然后 以此得 到 的结果 为依 据 ， 采取合 适 的降温 、 保 温措 施 ， 防止温差过大导致混凝 土裂缝 的产生。 2 ) 通过分析不 同养 护情况下的温度时程 曲线可知 ， 养护 条件对温度 场的影响很大 ， 特别是表 面温度受 养护情况 的影 响很大 ， 养护情况对 中心温 度的影响主要表现在降温阶段。 参考文献 1 L i o u ， D o n a l d D E f f e c t s o f c o n s t r u c t i o n j o i n t i n I a S S fl o w a b l e c o n c r e t e J J o u r n a l o f M a t e ri a l s in C i v i l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 8 2 王 铁 梦 工 程 结 构 裂 缝 控 制 M 北 京： 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 ， 1 9 9 7 3 朱伯芳 大体积混凝 土的温度应力 与温度控制 M 北京 ： 中国电 力 出版社 ， 1 9 9 9 4 刘秉京 混凝土技术 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 4 5 袁 昆 后浇带 的应力分析及 在大体 积混凝土 中的应用 D 西 安 建筑科技大学 。 2 0 0 2 6 张亮亮 ， 赵亮 ， 等 桥墩 混凝 土水化 热温 度有 限元 分析 J 重 庆 大学学报 ( 自然科学版)， 2 0 0 7 ， ( 1 0 ) 7 杨秋玲 ， 马可栓 ， 等 大体积混 凝 土水化热 温度 场三维 有限元 分 析 J 哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 0 4 ， ( 2 ) 【 8 邓汉荣 ， 过凯 ， 蒋 运林 珠 江新 城核 心 区市 政交通 项 目底板混 凝 土早期应力分析 J 建筑结构 ， 2 0 0 7 ， ( 9) 9 张松涛 ， 李 民 A N S Y S在分析混凝 土结构温度场 及温度应力 中的 应用 J 中国水 运( 理论 版) ， 2 0 0 6， ( 5 ) ( 上接 第 3 8页) 沉降位移 随平衡 土 开挖 深度增 加 而增 大 。各 建筑 物 的 沉降最大值 为 一1 5 m i ll ， 最小值 为 一 7 f i l m。地表 沉降较均匀 ， 最大值为 一1 0 h i m， 最小 值为 一 8 mm。 6效 果分 析 1 ) 施工 中采用 原设 计为 二层 地下室 的护 壁桩 作为 三层 地下室的基坑土 壁支 护 ， 虽是不 得 已而 为之 ， 但 也是 根 据施 工现场实际情况 寻求解 决施工难题 的一种尝试 。 2 ) 本工程采用 了先期 预留护壁桩平衡 土 ， 后期增加 护壁 桩 内支撑 ， 基础工程 桩分 两次施 工 的支 护方 案 ， 确 保 了基 础 施 工工期 ， 同时节约 了施工 措施 费用 ， 取得 了 明显 的经 济效 益和社会效益 。 3 ) 根据 施工方案 ， 在基 坑施工过 程 中， 采用科学 仪器 ， 对 基坑周 围地表 、 建筑 物 的沉 降位 移 和变 形进 行跟 踪监 测 ， 对 护壁桩桩顶及桩身水平位移 实施全过 程监测 ， 最终 监测 结果 显示 各观测点位移均处于 正常 稳定状态 ， 说 明该支 护方案是 成 功的。 4 ) 利用 监测 的信 息 直接 指 导施 工 ， 能 及 时 消除 施 工 隐 患 ， 为环境安全提供保证 ， 也为基 坑支护 的方案 设计 、 施工积 累 了 经验 。 参考文献 1 曾宪明 ， 林润德 ， 易平 基坑与边坡事故警示 录【 c 北京 ： 中国建 筑 工业出版社 ， 1 9 9 9 2 中国建筑科 学研 究院 建筑基坑支护技术规程， 北京 ： 中国建筑工 业 出版社 ， 1 9 9 9 3 冶金 工业部建筑研究 总院 建筑基 坑工程技 术规 范 ， 北京 ： 冶金工 业 出 版社 1 9 9 8 4 高大 钊 土 力 学 与 基 础 工 程 M 北 京 ： 中 国建 筑 工 业 出版 社 。 1 9 9 8 45