大体积混凝土基础底板温升的有限元模拟与实测数据比较分析.pdf

大体积混凝土基础底板温升的有限元模拟与 实测数据比较分析 陈韬 徐磊 上海建工一建集团有限公司 上海 2 0 0 1 2 0 搞要：混凝土裂缝对混凝土的耐久性和抗渗性有着显著影响。由于混凝土底板温度受到原材料特性、配合比、环境条 件、结构形式及施工养护措施等多方面因素的影响，故计算结果需要与监测数据进行对比复核。误差在可接受范围内 才能应用。基于温度场理论和有限元方法，对上海中心底板超大体积混凝土进行温升模拟，并与实际监测数据进行对 比，得出可靠的结论。其计算方法亦可为其他大体积混凝土底板施工提供参考。 关键词 ：大体积混凝土；温升计算；温度监测；混凝土养护 中圈分类号：T U 5 0 2 文献标志码 ：B D 0l ：1 0 1 4 1 4 4 j c n k i j z s g 2 0 1 6 0 2 0 4 5 Co mp a r a t iv e An a l y s is o f F i n it e E l e me n t Si mu la t i o n a n d Me a s u r e d Da t a o f T e mp e r a t u r e Ris e i n Ma s s Co n c r e t e F o u n d a t io n S l a b CHEN T a O XU L e i S h a n g h a i C o n s t r u c t i o n N o 1 ( G r o u p )C o ， L t d S h a n g h a i 2 0 0 1 2 0 Ab s t mc t ： T h e d u r a b i l i t y a n d i mp e r me a b il i t y o f c o n c r e t e h a v e r e ma r k a b l e e ff e c t s o n c on c r e t e c r a c k Th e t e mp e r a t u r e o f f o u n d a t i o n s l a b i S a ff e c t e d b y mu lt i p l e f a c t o r s ， s u c h a s r a w ma t er i a I p r o p e rt y , mi x p r o p o r t i o n ， e n v ir o n me n t a I c o n d i t io n， s t r u c t u r a I s tyl e ， c o n S t r u c t i o n a n d c u r i n g me a s u r e s e t c ， a s a r e s u lt ， t h e c a lc u l a t i o n r e s u lt s n e e d t o b e c o mp a r e d a n d r e c h e c k e d wi t h t h e mo n i t o d n g d a t a e r r o r s h o u l d b e wit h i n t h e a c ca p t a h i e mn g e b e f 0 r e a c c e p t a n c e T h e t emp e r a t u re r is e s imu l a t ion f o r t h e s u p e r - ma s s Co n c r e t e s l a b o f Sh an g h a i T o wer iS b a s e d o n t h e t h e ow o f t e mp e r a t u r e fi e l d a n d fi n i t e e le me n t me t h o d F u rt h e r mo r e ， a rel i a b le c o n c l u s i o n h a s b e e n d r a wn b y co mp a r i s o n b e twe e n t h e s i mu l a t i o n d a t a a n d t h e a c t u a I mo n i t o r i n g d a t a T h i s c a l c u l a t i o n me t h o d ca n p r o v id e r e f e r e n c e s f o r co n s t r u c t i o n o f o t h e r ma s s co n c r e t e s la b Ke y wo r d s ： ma s s co n c r e t e ： t e mp e r a t u re r is e ca l c u l a t io n ； t e mp e rat u re mon i t o r i n g； c o n c r e t e c u d n g 0 引言 在工程实践 中，混凝土裂缝产生的原因可分为2 大 类：荷载裂缝和变形裂缝，变形裂缝占裂缝的很大部分， 基金项目； 上海市科学技术委员会资助项目 i ( 0 9 D Z 2 0 T 0 3 ) 。 j i i j 作者简介： j , 8( 1 9 8 6 - - ) J 男， 硕士， 工剐t i j 叠通信 生 止： ， 上麓滑卿犀 3 号 ( 2 c 0 1 2 o ) 。 囊 蠹 曩 曩 收稿日期：2 0 1 5 - 1 t - 2 3 = = 其产生的原因有温度、湿度、差异沉降等，对混凝土耐久 性具有较大影响。大体积混凝土的温度裂缝作为变形裂缝 的一部分，其控制措施贯穿于设计、材料配合比选择、搅 拌运输、浇筑养护、温度监测等各个环节，主要控制措施 有：合理设计底板混凝土强度并避免结构突变，配置构造 钢筋；减少单位体积混凝土的水泥用量，采用低水化热水 泥，合理选用掺合料及外加剂；材料的存储堆放和搅拌运 输应采取降温措施 ，以降低入模温度 ；浇筑后混凝土表面 进行蓄热保温或内部埋设冷水管，一般情况下采用保湿薄 加强变形监测系统的综合判别能力，以实现变形监测智能 评价和安全预警。 参考文献 卫 【 1 】 许浩， 赵岩， 黄泰， 等 一种新型 自 动电测式分层沉降仪的研究U 】 港工 技术， 2 0 1 5 ( 3 ) ：7 3 7 6 f 2 2 王建秀， 吴林高， 朱雁飞， 等 地铁车站深基坑降水诱发沉降机制及计 算方法们 岩石力学与工程学报， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 1 0 1 0 1 0 1 9 圃 建 筑 施 工 第 3 8 眷 第 2 期 3 郑刚， 曾超峰， 薛秀丽 承压含水层局部降压引起土体沉降机理及参 数分析 1 岩土工程学报， 2 0 1 4 ( 5 ) ： 8 0 2 8 1 7 【 4 闰宏业， 蔡德钩， 姚建平， 等 装配式分层沉降观测装置在路基沉降观 测中的应用 】 l铁道建筑， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 8 3 8 5 5 】 叶 国 良 地 基基 础 沉 降观 测 方法 综述 J 】 中 国港 湾建 设， 2 0 0 3 (3 ) ： 1 8 2 1 6 】 谢正文， 胡汉华， 李明 软土地基路堤沉降观测方法综述【I 1 西部探矿 工程 2 0 0 5 ( 1 2 ) ：2 1 2 3 陈 韬 徐 磊 ：大体积混凝 土基础底板温升 的有限元模拟 与实测数 据比较分析 膜和草袋进行保湿保温，冷水管降温措施较少采用。 为了制订合理的裂缝控制措施 ，在底板混凝土浇筑 前，需要对底板混凝土温升进行计算和预测；同时制订监 测方案，在浇筑后对混凝土进行实时监测 ，掌握混凝土温 度变化情况，以复核施工控制措施是否满足裂缝控制要 求。底板温升预测结合实际监测跟踪，对大体积混凝土施 工具有重要的参考意义【 l 。 1 。 1 工程概 况 上海 中心基坑面积约1 1 5 0 0 0 m ，沿 1 2 1 m的圆形 地下连续墙布置。整个基坑由主楼、裙房及中间过渡区 域3 部分组成，主楼区域位于基坑中心位置，裙房区域紧 贴地下连续墙内侧，主楼与裙房之间为八边形的过渡区 域。主楼区大底板呈八边形，底面标高- 3 1 4 0 m，板面标 高均为- 2 5 4 0 m，厚度6 m，面积约9 2 7 0 m 。底板混凝土 全部采用预拌混凝土，浇筑总量约为6 0 0 0 0 m ，强度等级 C 5 0 R 9 0 ，抗渗等级P 1 2 ，属于大体积混凝土。 为避免留置施工缝 ，本工程采用了整体一次浇筑工 艺，一次性连续浇筑厚度达6 m、浇筑总量为6 0 0 0 0 m 。由 于基础底板位于深厚承压水层，故对底板自身的结构整体 性和抗渗能力有着非常高的要求。因为水化热引起的温度 裂缝中贯通裂缝较多，对基础底板的耐久性和抗渗性有很 大影响，所以施工前必须对水化热进行计算，以采取相应 的施工措施 ，同时结合监测数据对施工措施进行调整。 2 混凝土温度场计算 2 1 基本理论 对于前述工程中大体积混凝土内部温度场分布的计 算，可认为混凝土是均匀的各向同性体，所以其三维热传 导方程如式 ( 1 )： 0 t = ( + + ) + 詈 c 1 一 十 十 ( ) 式中：丁 一混凝土内部任一点在时 刻的温度； 导温系数 ； 0 棍凝土绝热温升。 由上述传导方程确定了混凝土温度与时间、空间的关 系，为了确定某时刻t 的温度场分布，还需要初始条件和边 界条件，即混凝土的入模温度、环境温度、混凝土与空气 的对流系数、混凝土的水化热等。 2 2 模型建立 为模拟底板混凝土温度变化发展趋势，建立了底板 的有限元分析模型。考虑四周及底部土体对热量传导的影 响，土体与混凝土、混凝土与空气间均考虑热量流失，并 在模型的顶面、侧面和底面施加对流边界条件。由于底板 为八边形，为便于温度结果查看和减少有限元计算规模， 故取八边 形的1 4 进行 建模 ( 同时对模型增加对称边界条 件 )，建模选取范围和三维模型如图1 、图2 所示。 图1 上海中心底板形状及建模范围示意 图2 计算三维模型 2 3 计算结果 根据上节的模型进行有限元计算，可求出不同时间大 底板的温度云图。浇筑完成l l 0 d 后，混凝土中心及表面 温度变化如图3 所示。 7 0 6O 50 羹 2 0 1 0 u -底板顶面 底板底面 - 底板 中心 0 5 1 0 1 5 2 0 25 3 0 时间 d 图3 浇筑完成1 3 0 d 后混凝土中心及表面温度计算值 由图3 可知，混凝土在浇筑后随着水化放热的进行温 度迅速升高，第3 天接近峰值温度，第5 6 天达到最高点 6 8 ，而后温度开始缓慢下降。可以看出混凝土的温升受 边界条件影响很大，中心温度始终处于最高温度；底板顶 面计算时按表面覆盖2 层薄膜、厚4 c m 草袋考虑其等效对流 系数，温度上升较快 ，下降也较快；底板底面与地基接触 部位温度上升和下降均较为缓慢。 混凝土中心温度到达最高点时混凝土的温度场分布如 图4 所示。 图4 中心温度达到最高点时底板温度场分布 3 温升监测 3 1 监测方案 为避免底板大体积混凝土内外温差超限引起温度和收 缩裂缝，需要对混凝土的内表温度实施每天2 4 h 的连续监 测。在浇筑和养护底板混凝土期间密切监视温差波动，以 指导底板的养护工作，防止混凝土贯穿裂缝及表面干缩裂 2 0 1 6 2 B u _ld in g C o n struc ti。 n 田 陈 韬 徐 磊 ： 大体积 混凝土基础底板 温升的有 限元模拟与 实测数 据 比较分析 缝的产生。 本工程在底板施工 中采用了 “ 大体积混凝土温度监测 系统”，该系统用全数字方式对大体积混凝土的水化热过 程进行温度变化监测和反馈，从混凝土开始浇筑时，系统 同步开始多点温度微机实时测量，测温数据每小时储存1 次，为控制温度裂缝提供了可靠的数据，具有数据可靠准 确、反馈及时的特点，可在第一时间内提供任一测点的即 时温度值 ，进而反馈混凝土温差波动情况 ，以指导基础底 板的温控养护措施。 “ 大体积混凝土温度监测系统”使用信息化手段为施 工提供可靠的温度数据，利于施工单位进行定量、定性分 析。使得施工中可以根据混凝土内表温差的变化情况及时 调整或采取有效的技术和养护措施，以保证混凝土浇筑和 养护过程中的表里温度差在规定范围内，确保了基础混凝 土施工质量。 3 2 测点布置 塔楼混凝土测温测点布置见图5 ，混凝土基础底板内部 设置1 2 个测轴，每个测轴沿高度方向设置7 个测点，共设置 内部测点8 4 个 ；另在 测轴处设薄膜温度测点3 个 、大气 温度测点1 个以及室内温度测点1 个。 图5 测点布置示意 3 3 理论计算与监测结果对比 上海中心主楼底板大体积混凝土从2 0 1 0 年3 月2 6 日 开始 浇筑，在底板内部1 2 个测轴中选取位于中心部位轴的测 点 ，绘制底板顶面、底面和中心测点的温度历时曲线 ；为 便于对比，同时绘制底板顶面、底板底面、底板中心预测 温度 ，如图6 所示。 3 6 9 1 2 1 5 1 8 时间 d - 预测底板顶面 预测底板底面 预测底板中心 一 实测底板顶面 一 实测底板底面 +一 实测底板中心 图6 浇筑完成1 1 8 d 后底板温度预测与实测值对比 固 建 筑 施 工 第 3 8 卷 第 2 期 由图6 可知各测点测得的温度随浇筑时间发生显著变 化，混凝土在入模后温度快速上升，浇筑完成约3 d 后接近 峰值温度，浇筑完成约5 d 后达到峰值温度，到达峰值温度 后进入缓慢的降温过程。混凝土的中心温度位于图中最上 一 条曲线，显著高于表面温度、底面温度。在降温阶段， 表面的降温速率最快，说明混凝土表面的散热条件好于中 心和底面，为安全起见，应当加强混凝土表面的保温措 施 ，避免温差超过规范限值。 4 结语 本文采用有限元模型对上海中心底板大体积混凝土温 升进行了预测计算，并结合实际监测结果对预测计算进行 了对比复核 ，两者的吻合性较高，并由此可以得出以下几 个结论 。 1 ) 底板大体积混凝土浇筑后温度迅速升高，第3 天接 近峰值温度并达到最大温差 ，第5 6 天到达峰值温度 ，而 后进入缓慢的降温过程； 2 ) 温度变化速率底板表面高于底板中心和底面，底面 温度变化较为缓慢； 3 ) 通过监测阶段的数据信息化收集和及时处理，最大 温差控制在规范要求的范围内； 4 ) 本文对主楼底板大体积混凝土温升计算结果与实测 结果较为相近 ，可作为预测类似工程温度、制订施工措施 的参考方法。 上海中心主楼底板大体积混凝土在浇筑过程中，制 订了完善的浇筑方案，在参考预测温度的基础上，结合信 息化测量密切监控，对数据进行了及时的分析、处理和反 馈，保证了底板大体积混凝土的温度控制，避免了有害裂 缝的产生，取得了良好的效果 。 参考文献 卫 1 】方碧清 大体积混凝土结构裂缝控 制的综合措施U 江西建材， 2 0 1 5 ( 1 8 ) ： 1 0 5 【 2 】赵士怀， 黄夏东 高层建筑大体积混凝土结构温度裂缝控制技术U 】 施 工技术， 1 9 9 8 ( 5 ) ：2 5 2 6 【 3 花 力 基 于温度 裂缝控 制 的 特 大超 厚 混凝 土施 工 U】 建 J L _r - ， 2 0 1 3 ( 6 ) ： 4 6 9 4 7 1 【 4 】 刘西 军 大体 积 混凝 土温度 场 温度 应 力仿真 分析 【 D】 杭 州： 浙 江 大学， 2 0 0 5 【 5 1 张桂芳 谈大体积混凝土结构裂缝控制的综合措施叭 山西建筑， 2 0 1 2 ( 9 ) ： 1 1 1 1 1 2 f6 1 张晓飞 大体积混凝土结构温度场和应力场仿真计算研究I D 西安： 西安理工大学， 2 0 0 9 袁广林， 黄方意， 沈华， 等 大体积混凝土施工期的水化热温度场及温 度应力研 究U 】 混凝土， 2 0 0 5 ( 2 ) ：8 6 8 8 加 ； 帕 0 喟