大体积混凝土水化热温度场数值分析.pdf

徐艳华 ： 大体移l 混凝土水化热濉 度场数 分析 l 3 大体积混凝土水化热温度场数值分析 徐艳华 ( 北京京北职业技术学 院建筑工程 系。 北 京1 0 1 4 0 0) 【 摘要】 大体积混凝土结构厚 、 体形大的特点决定了其施工的关键在于控制裂缝的产生。在工程实践中， 需考虑由温差和混凝土收缩所产生的温度应力是否超过当时的基础混凝土极限抗拉强度， 因而必须进行严格的 防裂理论计算。本文以某工程底板施工为例， 探讨了相关的温度应力计算和裂缝控制措施， 利用结构有限元分析 程序 M i d a s 对大体积混凝土三维温度场和应力场进行模拟计算 ， 并对计算结果进行了分析。 【 关键词】 大体积混凝土； 温度场； 裂缝 ； 有限元方法 【 中图分类号】 T U 7 5 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 0 1 3 0 3 NUM ERI CAL ANALYS I S 0F HYDRATED HEAT TEMPE RATURE FI E DL OF M AS S I VE CONCRETE XU Ya n h u a ( D e p t o f A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ， N o r t h e r n B e i j i n g V o c a t i o n a l E d u c a t i o n I n s t i t u t e ， B e i j i n g l 0 1 4 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i c k a n d b i g c h a r a c t e r i s t i c s o f ma s s c o n c r e t e s t r u c t u r e d e t e r mi n e s i t s c o n s t r u c t i o n k e y wh i c h l i e s i n t h e o c c u r o f c o n t r o l i n g c r a c k s I n e n g i n e e rin g pr a c t i c e，we n e e d t o c o n s i d e r t e mp e r a t u r e s t r e s s p r o d u c i n g b y t h e t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e a n d s h r i n k a g e o f c o n c r e t e w h e t h e r i t b e y o n d s c o n c r e t e u l t i ma t e t e n s i l e s t r e n g t h，S O i t mu s t b e s tr i c t c r a c k p r o o f t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n B a s e d o n a n e n g i n e e r i n g b a s e s l a b c o n s t r u c t i o n，t h e p a p e r d i s c u s s e s r e l a t e d t e mp e r a t u r e s t r e s s c o mp u t a t i o n a n d c r a c k c o n t r o l me a s u r e s ，a n d u s e s s t ruc t u r e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s p r o g r a m “Mi d a s ” t h r e e d i me n s i o n a l t o s i mu l a t e ma s s c o n c r e t e o f t h e t e mp e r a t u r e fi e l d a n d s t r e s s fi e l d，a n d t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s a r e a n a l y z e d Ke y wo r ds ： ma s s c o n c r e t e；t e mp e r a t u r e fie l d；c r a c k；f i ni t e e l e me n t me t h o d 1 工程概况 某工程用地面积总计 1 8 7 0 0 0 m ， 总建筑面积 5 5 万 m ， 最高建筑 2 3 0 m 。主楼由塔楼 I 和塔楼 组成， 塔 楼 I基 础 底 板 混 凝 土 方 量 约 4 5 0 0 0 m ， 最 厚 处 1 1 7 5 m； 塔楼 基础 底板混凝土方量约 4 0 0 0 0 m ， 最厚 处达 1 3 5 m。 初步拟定 的浇筑方案 是分两层浇筑 ， 首先浇筑 7 5 m以下 6 m厚的混凝土， 然后一次性浇筑 7 5 m以 上部分的混凝土 ， 两次浇筑间隔 2 1天， 采用外蓄内降 综合养护措施。温度场及温度应力分析以塔楼 为重 点 ， 因为尽管其总方量较塔楼 I 稍小， 但厚度更大， 最 厚处达 1 3 5 m 。下面就以塔楼 底板混凝土为对象， 分析其在分层浇筑方案中的温度和应力分布， 计算采 用结构有限元软件 MI D A S C i v i l 。 2 计算参数取值 2 1 材料特性值 底板混凝士等级为 C 4 0 ， 由于缺乏配合 比详细资 料， 参照已建工程底板混凝土配合比资料， 并参考 混 凝土结构设计规范 和朱伯芳院士著作 大体积混凝 土温度应力与温度控制 取值； 考虑到将地基作 为弹性支撑建立水化热分析模型时不能正确体现混 凝土的热量向地基传播的过程， 所以在本模型中将地 基建成具有比热和热传导等特性的构件， 地基底面采 用固定边界条件， 具体取值见表 1 。 表 1 材料物理及热特性值 2 2 混凝 土抗压强度发肥曲线 1 4 低潞矬筑技术 2 0 1 1 年笫 1 O j 9 j ( 总笫 1 6 0 9 J ) 采用 C E BF I I 设计标准巾混凝土抗日 强度发展 函数来模拟底饭混凝土抗压强度发展 ， 其中混凝 土 2 8 d抗压强度取 4 0 M P a 。 2 3混凝 土收缩 曲线 考虑到本次计算缺乏收缩 试验实测数据 ， 借鉴金 茂大厦 C 5 0混凝土不同龄期收缩值见表 2 ， 根据表中 的实验数据， 采用工程上用的比较多的指数j 式进行 拟合， 拟合的式子如下 ： ( t )= s ( 1 一 e ) 拟合的结果是： ( t ) = 5 8 8 5 2 5 X1 0 X( 1 一e 眦 ) 据此生成数据文件进行计算。 表 2 混凝土不同龄期收缩值 1 0一 m i ll m一 2 4 水化热计算参数 ( 1 ) 混凝土绝热温升 。底板混 凝土绝热 温升的 计算参照美国垦务局提出的指数表达式， 为： 0 ( ) =0 。 ( 1 一 e ) 式中 O 为常数， 计算中取经验值 0 6 8 ； r为混凝 土龄期， d ； 0 0 为最终绝热温升 ， 可按下式计算： 0 0 = Q 。 ( W+ k F) c p 其中， Q 。 为水泥最终水化热， k J k g ； W为单位 体积混凝土中水泥用量 ， k g m ； F为单位体积混凝土 中混合材料的用量， k g m ； k为混合材料水化热折减 系数； c 为混凝土比热 ， 取为 c = 0 9 6 k J ( k g ) ； p为 混凝土密度， 取为P= 2 4 0 0 k g m 。 根据工程实践经验 ， 经计算绝热温升暂定 4 3 C。 ( 2 ) 边界对流放热系数。当混凝土表面附有模 板或者保温层时， 按第三类边界条件计算， 但用选择放 热系数 的方法来考虑模板或保温层的影响。 卢 ： 1 ( 1 ) +( h i A i ) 式中， 卢为最外面保温层在空气中的放热系数； h 。 为保温层厚度； A ； 为保温层的导热系数； 顶面对流 ： 表面拟覆盖两层薄膜， 8 c m麻袋 ， 计算 得到等效放热系数为4 0 0 0 k J ( m h ) 。 侧面对流： 底板侧面拟采用 4 c m七夹板木模 ， 等 效放热系数 1 0 0 0 k J ( m h ) ； 地基侧面固定温度 2 0 c c。 底面对流： 地基底面固定温度2 0 q C 。 ( 3 ) 环境温度。按工期推算底板混凝土施工时 间在9 、 1 0月份， 该地区九月平均温度 2 3 2 ， 十月平 均温度 1 4 1 c = 。环境温度按 2 0 取值。 ( 4 ) 冷却水管。底板混凝土分两层浇筑 ， 两层 混凝土冷却水管均双向布置， 水平向和竖向间隔 1 m。 下部水管共五层， 东西 向冷却水管标高为 一9 5 、一 1 1 5 m； 南北 向水管标 高为 一8 5 、 一l 0 5 、一1 2 5 m。 上部冷却水管南北向标高分别为 一 2 、 一 4 、 一 6 m； 东西 向为 一 1 、 一 3 、 一 5 、 一 7 m。冷却水管采用 q b 2 5黑铁管， 在混凝土浇捣之前预埋在底板内部， 利用钢筋支架固 定。冷却水流向可正反循环， 既可从东至西， 南至比， 也可从西至东 ， 北至南 】 。水管的参数按表 3取值。 表 3 冷却水管的参数取值 3 有限元计算结果 计算网格划分采用 1 X l 1单元， 以下是分析结 果， 为了清楚看到内部温度场和应力场分布， 显示四分 之一模型。 图 1 2 4 d淞度分 如网 2 4 2 d泓度分布 l鸹3 2 0 d应力分 图 从以 温度和应力分布云图上可以看出： ( 1 ) 采用布置冷却水管， 外蓄内降的养护方案， 盂良等： 沥青濉合料抗压刚弹模量影lI向 因索研究 1 5 沥青混合料抗压回弹模量影响因素研究 孟良 。 ， 边鑫 ， 周水文 ( 1 哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院 。 哈尔滨1 5 0 0 9 0； 2 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究 院 道桥试验研究所 ， 成都6 1 1 1 3 0) 【 摘要】 为了解沥青混合料的抗压回弹模量的影响因素， 研究了沥青标号、 级配和温度对沥青混合料抗压 回弹模量的影响规律。结果表明： 用辽河7 0 沥青的混合料抗压回弹模量大于用辽河 9 0 沥青的混合料抗压回弹 模量； 采用辽河9 0 沥青为原材料， 级配类型采用 A C一1 3和 A C一1 6的沥青混合料抗压回弹模量比S M A一1 3大很 多 ； 沥青混合料的抗压回弹模量随温度的增大而降低， 降低速率随温度先大后趋于平缓， 这个转折点温度为4 5 。 【 关键词】 沥青混合料； 回弹模量 ； 沥青标号； 级配； 温度 【 中图分类号】 T U 5 2 8 4 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 0 1 5 0 3 沥青路面材料设计模 量的确定是沥青路面设计 的基础问题 ， 同时设计模量也是路面设计的主要参数， 它既是路面结构应力应变分析的关键参数， 也是反映 路用性能的重要指标 。模量的取值是否合理， 关 系到路面的使用寿命和工程的造价。如果回弹模量取 值过大， 路面厚度必然较薄， 不能满足使用要求， 甚至 缩短路面的使用寿命 ； 如果取值过小， 路面厚度必然较 厚， 造成经济浪费和整个路面结构的不匹配性 。目 前进行路面结构设计时 ， 设计单位一般采用规范推荐 值 。但由于我国幅员辽阔， 地形复杂， 各地区间气 ) 婚 ： 膏 岳 吕 芝 R 候条件、 路面使用材料都具有显著的差异， 直接导致路 面状况的复杂性。有很多设计单位因为采用了不合理 的设计参数 ， 路面频繁出现早期破坏。因此， 在对路面 设计模量进行取值时， 要考虑工程所在地的气候条件 以及路面使用材料。本文通过试验研究 ， 力图对沥青 混合料抗压回弹模量的影响因素进行一些研究。 1 影响因素选择与原材料特性 本文选择沥青标号、 矿料级配、 试验温度三个因素 对沥青混合料抗压回弹模量的影响分别进行研究。 ( 1 ) 沥青标号： 选择辽河7 0 ， 辽河 9 0 重交通石 4 3 2 l O l 一 2 3 4 5 - 6 应力和容许张拉应力 。 墨置 量莩曩毫 量量晷萤 H n|n 口0 m S ： N 5 4 7 6 7 一 最大 ； A：N5 4 7 6 7 一 最大 - S u mma r y - 一Ma x ： 3 5 1 l e + 0 0 0 a t 9 6 0 0 0 0 - -Mi n ： 一 46 9 0 e + o 【 ) 0 a t 7 2 0o 0 时间m 图4 边界上一点应力和容许张拉应力 比较 能够控制混凝土内外温差不超过规范容许温差 2 5 C。 ( 2 ) 根据混凝士的应力分布图和拉应力与容许 张拉应力比较图， 得知混凝土中应力都很小， 在 0 MP a 左右。在边界上局部区域最大拉应力达到 1 8 5 MP a ， 超过 C 4 0混凝土的抗拉强度设计值 1 7 1 MP a ， 但是有 限元分析 【 J 忽略钔筋 的作用 ， 如考虑 到边 界部分 钢筋 的抗拉， 混凝土中不会产生破坏性的贯穿裂缝。 4 结语 本文所述 的用 水管 冷却 和 分层 浇筑 的方法 控 制 建筑基础工程中大体积混凝土内部温度的应用条件， 相应的计算理论和技术措施是可行的。除采用水管冷 却方法解决大体积混凝土基础工程内部温升 问题外， 还应当在设计 、 施工技术及管理等多个环节对其采取 措施， 防止温度裂缝的产生。 参考 文献 1 朱们芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北京 ： 中国 电力 出版社 1 9 9 9 2 叶琳昌， 沈义 大体积混凝土施工 M 北京： 中国建筑工业 出版社 1 9 8 7 3 王 铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工业f “ 版社， l 9 9 9 4 石南楠， 陈波， 等 大坝混凝土温度应力数值模拟 J 低温建 筑技术， 2 0 0 9 ， ( 2 ) 5 张亚鹏等， 高层建筑基础大体积混凝土水化热系数研究 J 煤炭工程 ， 2 0 0 8 ， ( 3) 收稿日期 2 0 1 1 0 5 1 2 作者简介 】 徐艳华 ( 1 9 7 7一) 女 江苏海安人 ， 硕士研究 生 ， i ) l= 师， 闭家级注册结构师， 从 建筑工 技术 专业相关课程 的教学 f 作。