井塔混凝土基础蓄水养护期温度场数值模拟与测试.pdf

2 0 1 6 年第4期 中州煤炭 总第2 4 4期 井塔混凝 土基础 蓄水 养护期温度场 数值模拟与测试 赵玉 明 ( 1 天地科技建 井研 究院， 北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 煤矿深井建设技 术国家工程 实验 室， 北京 1 0 0 0 1 3 ) 摘要 ： 煤矿井塔混凝土基础蓄水养护期的温度场变化复杂， 采用数值模拟与现场结合的方式可以确定基础 的 温度分布和关键控制点的温度变化规律 。结果表 明： 数值结果与现场实测温度 数据拟合较好 ， 最高温度和 温 差均在规 范控制 范围之 内， 施工 中可通过调整蓄水 的高度进行混凝土表面温差的控制， 防止开裂。数值模 拟 提供 了直观 的三维温度场显示和预测， 而现场测温较为全面地反 映 了大气环境 温度对混凝土 表面温度场 的 影响 ， 两者的结合 能够 为科 学制订养护措施提供依据。 关键词 ： 混凝 土； 温度场 ； 蓄水养护 ； 现场测温； 数值模拟 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 6 4 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 3 0 5 0 6 ( 2 0 1 6 ) O 4 0 0 5 4 0 5 Nume r i c a l S i mul a t i o n a n d Te s t Fi e l d o f W e l l To we r Fo u nd a t i o n Co n c r e t e Te mp e r a t ur e Fi e l d Dur i ng Re s e r v e W a t e r M a i nt e n a nc e Pe r i o d Z h a o Yu mi ng ( 1 。 I n s t i t u t e o fMi n e C o n s t r u c t i o n T i a n d i S c i e n c e& T e c h n o l o g y C o ， L t d ， Be i j i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a； 2 N a t i o n a l E n g i n e e r i n g L a b o fMi n e D e e p S h C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y ， B e n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ) 井 塔基 础结构 体积 大 ， 所 需混 凝土 浇筑量 大 ， 在 养护期会释放大量 的热量 ， 容易产生较大 的温度应 力 ， 而温度 应力是 造成 结构 开裂 的主要 原 因 。 因 此 ， 在养护 期 内要 严 格 控 制混 凝 土 的 最 高温 度 以及 温差 ， 避免 出现温 度裂 缝 。为防止 温度 裂缝 的产 生 ， 混凝土结构设计规范 、 建筑施工手册 和 大体积混凝土施工规范 中均有 明确要求 ， 应 对 混凝土 施工 养护 温 度 的界 定 数 值进 行 控 制 ， 即混 收 稿 日期 ： 2 0 1 6 0 2 2 3 作者简介 ： 赵玉明 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 辽宁 朝阳人 ， 助 理研究员 ， 国家 一 级建造师 ， 注册安全lT程师 ， 硕士 ， 2 0 0 7年毕业 于煤炭科学研究 总院 建井研究院 ， 长期从事冻结法凿井技术研究及应用工作 。 5 4 凝土 内部最 高温 度要小 于 7 5 ， 混凝土 内表 和 内外 温差也 均要 小于 2 5 。虽 然 在 施 工前 可 通 过技 术 措施 如 降低 水灰 比、 添 加外 加 剂 等 降低 混 凝 土 的水 化热 ， 但在 施工 中仍要 严格 监测温 度 的变化 。 井塔 基础蓄 水法养 护 大型混 凝土结 构在 施工 中 并 不常 见 ， 温度 场 的分 布 与结 构 的几 何 特 点及 蓄 水 养护层的处理有着直接的关 系， 施工 中单独依靠现 场测 试结 果来 分析 温 度 场 的变 化 规律 比较 单 一 ， 往 往 不 能 及 时 处 理 因 温 度 过 高 而 产 生 的 不 利 影 响 “ j 。数值模 拟 方法 可 以 预测 温 度场 的分 布 ， 然 而计算的温度是否符合混凝土实际放热的特点又需 要 现场 测试 的数据 验证 。所 以 ， 应将 二者结 合 ， 充分 h ” u u m ， 0 m 宅 罟 m 一 一 一 一 一 一 一 一 一 m 据 朋 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 l曼 一 一 二薹 一 一 一 _耋 _童 峨 _薹 _堇 一 一 一 一 一 一 一 一 n 刚 二= e b s k m _薹 _萋 一 一 一 一 一 帅 一 一 一 一 m _蚕 一 一 眦 二耄 洲 一 一 一 一 一 2 0 1 6年第 4期 赵玉 明 ： 井塔 混凝 土 基础 蓄水 养 护期 温度场 数 值模 拟与 测试 总第 2 4 4期 发挥 二 者 的优势 来 为养 护期 的温 控 提供保 障 。 。 为 避 免 混 凝 土 在 养 护 期 因 温 度 过 高 而 导 致 开 裂 ， 本 文 结合 某 井塔 工 程 混 凝 土 基 础 蓄 水 养 护 期 实 例 ， 通过数值模拟与现场测试相结合的方式 ， 对结构 的关键位置进行现场温度测 试 ， 同时采用数值模拟 进行三维温度场的预测 ， 综合分析温度场的变化规 律 。通 过对 温度 数 据 的 分 析 调整 蓄 水高 度 ， 达 到 控 制最 高 温度 和温 差 的 目的 。 1 工程介绍 某井 塔基 础 底 板 厚 3 3 m， 主 体 结 构 几 何 尺 寸 3 3 m X 1 6 m 7 m， 混凝土表面采用蓄水法养护。混 凝 土 表 面初 始 蓄 水 高 度 为 1 0 c m， 养 护 模 板 主要 为 竹 胶 模板 ， 现 场 温度 记 录 总 时 间 为 1 0 d 。浇 筑所 用 混凝 土 配合 比 ： 每立 方米 混凝 土用 水 泥 2 8 0 k g ， 砂 子 8 1 0 k g ， 石 子 1 0 8 0 k g ， 粉煤 灰 6 8 k g ， 水 1 6 3 k g和 其 他 3 8 k g 等 ( 施 工 中采 用一 次性 浇筑 完成 ) 。 2温度场现 场测试 与数值模 拟 ( 1 ) 现场 温度 测 试 方法 。根 据 基础 的几 何 尺 寸 绘 制 结构 平 面 图 ， 并 布 置相 应 的测 温点 。基 础 结 构 整体 为 凹形 ， 根 据对 称 性 取 其 中 的一 半 结 构 进 行 分 析( 图 1 ) 。温度测试点的编号依次为 l 一4 ， 主要 布置在结构的几何 中心以及 拐角位置， 每个测温点 沿竖 向布 置 3组 记 录点 ， 分 为 上 、 中 、 下 ， 上 、 下 记 录 点位 置距 混 凝 土边 缘 均 为 1 0 a m。同 时 ， 在 空 气 和 保 温层 中各 埋设 1个 测 温 点 ， 记 录环 境 温 度 和 保 温 层内的温度 。采用测温范围为 一 2 01 0 0温度传 感器 测 量测 试 点 温 度 ， 混 凝 土 在 浇 筑 前 要 预 埋 + 2 5 m m 的薄 壁铜 管 ， 端 部封 闭 严 密 ， 按 照 每个 测 试 点 的 位 置分 别监 测其 上 、 中 、 下 的温 度 。温度 监测 的具 体 要 求为 ： 在 混凝 土 温升 阶段 每 隔 2 h测 一次 温 度 ， 温 度 下降 阶段 每 隔 4 h测一 次温 度 。 图 1 几 何 模 型 及 测 温 点 布 置 单位：m m ( 2 ) 数 值模 拟方 法 。现 场测 试 温 度 的 方 法 只能 布 置有 限个监 测 点 ， 无 法 通 过 测 试 数 据 分 析 基础 结 构的整体温度场 ， 因此除采用现场测试法外 ， 借助数 值 模 拟来 完成 基础 温度 场 的三维 分析 。数值 模 拟采 用 有 限元 分析 软件 A N S Y S中热 分析 模块 完成 ， 其 中 混 凝 土表 面 的蓄水 层 采 用 实 体 单元 模 拟 ， 计 算 模 块 分为 蓄水层 、 模 板 和 结 构 3部 分 。采 用 S O L I D 7 0单 元计算并以六面体 网格划分保证计算精度 ， 计算 的 总 时 间与施 工期 监 测总 时间 一致 ， 均为 1 0 d ， 计算 步 长为 0 5 h ， 温度 场 的精 度控 制在 l 0 。 3 结 果 分 析 ( 1 ) 数值模拟的温度场分布如图 2所示。 ( a)云图 赠 ( b) 等值线 单位： 图 2数 值 模 拟 的 温 度 场 分 布 图 2是混凝 土 内部 温度 场 的云 图和等 值线 分 布 图 ， 通 过 数据查 询 可 知 最 大温 度 为 7 1 2 ， 未超 过 规范 的 限值 7 5 q C。从 图 2 ( a ) 可 以看 出 ， 混凝 土 中 心 内部 的 大 部 分 区域 为 高 温 区 ， 即温 度 在 6 0 以 上 ， 仅 在 靠近 四周 出现 了 明显 的低温 区 。图 2 ( b ) 反 映 了靠 近结构 边缘 地 带 的温度 等值线 分 布 的密 集程 度 ， 等值 线越 密说 明温 度梯 度变 化越 大 ， 这 是 因为靠 近边缘的混凝土与外界环境热量交换大导致的。从 图2 ( b ) 中还可以看出 ， 3 点所在位置的等值线是最 密 的 ， 因此 3 点 向外 界散 失 的热量 最多 。1 、 2 和 4 温度均较高 ， 在施工前期可通过数值模拟的预测结 果来 设计 蓄 水 区的深 度 ， 避 免混 凝温 度 和温差 过大 。 此外 ， 在 图 2 ( b ) 中通 过矢 量 图计 算 ， 可 估 算 出混 凝 土高温区约 占几何体截面面积 的 6 2 4 ， 说 明混凝 土 内部 的高 温 区域 所 占比例 大 ， 因此 必 须 在 养 护期 间做好保温工作。 ( 2 ) 关 键 测试 点温 度变 化规 律如 图 3所示 。 55 啪 瑚 加 2 0 1 6 年第 4 期 中州煤炭 第 2 4 4期 赠 赠 5 6 图 3 测 试 点 温 度 变 化 规 律 图 3是 关键位 置点 1 一4 点 的上 、 中 、 下 位置 的 现场 监测 温 度 变 化 规 律 。 在 蓄 水 养 护 开 始 的前 两 天 ， 因混凝 土未 达到 强度而 未上人 记 录温度 ， 所 以测 试 点的温 度 以 4 8 h以 后 为 初 始记 录 时 刻 。从 图 3 中可 以看 出 ， 每个监 测 点 中间位 置 的温 度均 是 最 高 的 ， 1 和 4 点 的最高 温度要 高 于其余 2个 点 ， 原 因在 于 此两点 位置 靠近 混 凝 土几 何 体 的 中心 ， 热 量 不 易 散失 ， 但这两点的最高温度值为 7 4 ， 在规范允许 范 围 内。 同时可 以发 现 ， 每 个 监测 点 顶 部 和 中部 的 温度变 化规 律基本 一 致 ， 温 度 随养 护 时 间的增 加 而 表现 为先增 加后 减 小 ， 在 时 间为 1 0 0 h左 右基 本 达 到温 度最大 值 ， 这 也 基 本符 合 混 凝 土 的水 化 热 放 热 规律 。然 而 ， 各 点顶 部 的测 试 温 度 相 比中部 和 底 部 的温 度要 变化剧 烈 ， 随时 间出现 了波动 ， 原 因在于 顶 部 的混凝 土受 昼夜 温差 影 响所 致 ， 波 动 的温 度 点 基 本 与昼夜 温度 表现 为一致 的变 化规律 。 混凝 土 顶 部 温度 的波 动 规 律 与环 境有 关 ， 将 监 测 到 的大 气 环 境 温 度 与 各 点 的顶 部 温 度 比 较 ( 图 4 ) ， 可 以 看 出每 个 监 测 点 的 顶 部 温 度 变 化 基 本 一 致 ， 差异 较小 。 同时 ， 各 点 的温 度变 化与 大气温 度趋 势 也相 同 ， 因为这些 点位 置 紧邻 外界 空气 ， 而昼 夜 温 差 的 幅度对各 点 的温度 变化产 生 了较大 的影 响 。因 此 ， 在 施工过 程 中应根 据环境 温度 调整 蓄水高 度 ， 防 止顶 部混凝 土温 度波动 剧烈 。 2 5 7 5 1 25 1 7 5 2 25 2 75 32 5 时间， h 图 4 测试点 顶部 温度 与大气温度 比较 ( 3 ) 现场 测 试 温 度 需 随 养 护 时 间 而 进 行 ， 对 混 凝土 的温度 场预 测不 利 ， 也 不 能 全 面掌 握 混 凝 土 基 础每个 位 置的温 度 变化 规 律 ， 因此 可通 过 数 值模 拟 来获取 不 同位置 的温度 。 图 5是测 试点 中部 和底 部 温度 的数值 模拟 结 果 ， 可 以看 出各 点 的 温度 变 化 趋 2 0 1 6年第 4期 赵 玉 明 ： 井 塔混 凝土 基础 蓄水 养 护期 温度 场数 值模 拟 与测试 总第 2 4 4期 势基 本相 同 ， 4 点 位 于混凝 土 中心 位 置 ， 温 度是 最 高 的 ， 与 图 3的现 场测试 结 果一 致 。 赠 赠 图 5 测试 点中部、 底 部数值结果 数值 模 拟结 果 的正 确与 否是 决定 采 用何 种施 工 措施 防 止结 构 开裂 的关 键 ， 因此 将 数 值 模 拟 结 果 与 现场 测试 的 温 度 进 行 比较 来 验 证 模 拟 方 法 的 可 行 性 ， 为后 续研 判 温 度 场 提 供 支 持 。取 出结 构 中心 位 置的 4 点和靠近边缘 3 点 的计算温度与现场测试 的温 度进 行 比较 (图 6) 。 以 中 心 点 4 和 最 外 侧 3 点为 例 ， 可 以看 出数 值 模 拟 结 果 与 实 测 温 度 变 化 趋 势基本一致 ， 温度最高值基本出现在 1 0 0 h左右 ， 二 者均 未超 过 规范 限 值 ， 且 数 值 结 果 与 实 测 值 的 最 大 温度 误差 在 1 2 7 ， 基本 满足 工 程 需 要 。通 过 与 测 试 点 温度 的 比较 可 以验证 采用 数 值法 计算 蓄水 期 混 凝 土 温度 场 的方 案 是 可 行 的 ， 数 值 模 拟 可 以 快 速 地 确定 温度 场 分布 以及 关 键 点 的 温度 变化 规 律 ， 为 科 学施 工提 供依 据 。 ( 4 ) 温差 比较 如 图 7所 示 。 温差 也 是 规 范 控 制 混 凝 土温 度场 的关 键 因素 ， 将 每个 测试 点 不 同时刻 、 赠 赠 越 赠 图 6数 值 与 实 测 结 果 比较 图 7测试 点不同时刻最大温差 不 同位 置 的温度 相 减 ， 同时 计 算 出混 凝 土表 面 温 度 与 大气 温度 的差 值并 取最 大 的温差 。 从 图 7可 以看 出 ， 最 大 的温 差 在 2 5 之 内 ， 小 于 规范 的 限值 ， 说 明混 凝 土不会 出现温度 裂缝 ， 对 整 体结构是安全的。不同时刻的温差与图4中的大气 5 7 2 0 1 6年第4期 中州煤炭 总第 2 4 4 期 温 度变 化具有 相关性 ， 即大气昼 夜温 度变化 剧烈 时 ， 混凝土的温差也出现显著变化 ， 由此可知 ， 环境温度 也 是影 响混凝 土开 裂 的重 要 因素 。对蓄水 法养 护而 言 ， 应实 时关 注环 境温度 的变化 ， 在 昼夜温 差 明显时 应 及时 调 整 蓄水 高度 和施 工 措 施 以 防 止 混 凝 土 开 裂 。 4 结 论 ( 1 ) 混凝 土蓄水 法养 护 期 的温 度 随龄 期 出现先 增加后 减小 的趋 势 ， 在 浇筑 后 1 0 0 h左 右 基 本 出现 最高温度 ， 且各监测点最高温度和温差均在规范允 许之 内 。混 凝土 的表 面实测 温度 与大气 温度 具有相 关性 ， 随 大气温度 的变 化而 出现波 动变 化 ， 应 根据环 境温 度变 化来调 整蓄水 高度 以控 制温差 。 ( 2 ) 数值模拟计算结果与实测数据具有 良好的 一 致 性 ， 弥补 了早 期 混 凝 土 因强 度 不 足而 无 法 现 场 记 录温度 的缺 陷 ， 模 拟 的结果 能够 预 测温 度 场 的分 布 ， 这为施 工 前 制 订 科 学 的 养 护 措 施 提 供 了依 据 。 同时 ， 数值 模拟 与现 场测试 相结 合 ， 能够在施 工 中及 时处理 因大气 温度 巨变给 混凝 土带来 的不利 影 响 。 ( 3 ) 蓄水法养护混凝 土技术工艺要求 高， 本文 工 程案例 中采 用数 值模拟 与现 场测试 相结合 的方 式 发 挥 了二 者 的优势 ， 达到 了控 温的 目的 ， 也 为进 一步 研 究蓄水 法养 护混 凝 土 ， 防 止 温度 裂 缝 的 出现 提 供 了参考 。 参考文 献 ： 1 王铁梦 l 9 9 7 2 刘兴法 工程结构裂缝控制 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 混凝土结构 的温度应力 分析 M 北京 ： 人 民交通 出 版社 ， 1 9 9 1 3 Y u n L e e ， My o u n g S u n g C h o i ， S e o n g - T a e Y i ， e t a 1 E x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e c o n v e c t i v e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t o f e a r l y -a g e c o n - c r e t e J C e m e n t C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 9 ( 3 1 ) ： 6 O - 7 1 4 C h o u b a n e B， T i a M A n a l y s i s a n d v e r if i c a t i o n o f t h e r ma l g r a d i e n t e f f e c t s o n c o n c r e t e p a v e m e n t J J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i - n e e r i n g ， 1 9 9 5 ， 1 2 1 ( 1 ) ： 7 5 - 8 1 5 Z h a n g J ， “ z H A n a l y s i s o f t h e d e v e l o p me n t o f t h e r ma l s t r e s s e s i n c o n c r e t e p a v e m e n t s a t e a r l y a g e s C P r o c e e d i n g s o f t h e K n u d H o j g a a r d C o n f e r e n c e o n A d v a n c e d C e m e n t - b a s e d Ma t e r i a l s ： R e s e a r c h a n d Te a c h i n g De n ma r k， 2 0 0 5： 2 4 7- 2 6 3 6 C 一 X H u a n g T h e t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l i n g o f t h e r m a l c r a c k s i n c o n c r e t e s t r u c t u r e J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 9( 3 2) ： 6 7 3 6 7 8 7 中华人 民共和国住房 和城乡建设部 G B 5 0 0 1 O 一2 0 l 0混 凝土 结构设计规范 S 北京 ： 中华人 民共和国住房和城 乡建设部 ， 2 Ol 1 8 建筑施工手册 ( 第四版 ) 编写组 建筑施工手册 ( 第 四版) 缩印 本 M 北 京： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 9 中国冶金建筑协会 G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9大体 积混凝土施 工规范 S 北京 ： 中国计划出版社 ， 2 0 0 9 1 O 卢玉林 ， 魏佳 ， 梁永朵 ， 等 基于有 限元法 的混凝 土固化期温度 场分析 J 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 2 3 2 5 1 1 卢玉林 ， 陈晓冉 ， 丁金立 混凝土早 龄期温度场测 试与数 值模 拟分析 J 北京工业大学学报 ， 2 0 1 3 ， 3 9 ( 1 2 ) ， 1 8 4 3 1 8 4 8 1 2 任乐 民 邯郸 大世界 商城 基础 底板 大体 积 混凝 土施 工 技术 J 施工技术 ， 1 9 9 9， 2 8 ( 5 ) ： 3 5 - 3 6 1 3 武科 ， 鄢长， 王冬冬 ， 等 海控国际广场基础底板 大体积混凝土 施工技术 J 施工技术 ， 2 0 1 1 ， 4 0 ( 2 4 ) ： 1 7 2 0 1 4 廖永军某工程基础底板 大体积混凝土施工技术 J 施 工技 术 ， 2 0 1 2， 4 1 ( 1 6 ) ： 8 5 - 8 8 1 5 薛秉钧 ， 李松林 人工砂在混凝土和砂浆 中的应用研究 J 中 州煤炭 ， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 3 -4 ( 责任 编辑 ： 李 留洋 ) ( 上接 第 5 3页 ) 7 刘 文郁 急倾 斜厚 煤层 水平 分段 放顶 煤 开采 液压 支架 选 型 J 煤矿开采 ， 2 0 1 6 ( 1 ) ： 5 0 - 5 2 ， 3 6 8 毛德兵 综放支架 支护强度 与煤 层采 出厚度 关系的研究 J 煤炭科学技术 ， 2 0 0 9， 3 7 ( 1 )： 4 5 -48 9 李政， 康天合 ， 黄志明 ， 等 浅埋综 放工作面矿压特征及支 护强 度实测研究 J 煤炭科学技术 ， 2 0 1 5 ， 4 3 ( 5 )： 4 2 _ 4 5， 4 1 1 O 张新蛮 大采高超长工作 面液压支 架合理支护 强度确定 J 中州煤炭 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 2 7 2 8 ， 3 0 1 1 李刚 较薄煤层履带行走 液压支架 支护参数确 定及应用 J 煤炭科学技术 ， 2 0 1 5， 4 3 ( 6 )： 1 0 7 1 1 1 ， 1 2 1 1 2龚宇 经验类 比法在液压支架支护 强度确定 中的应用 J 煤 炭技术 ， 2 0 1 4( 6 ) ： 1 8 8 1 9 0 1 3 阎建华 综 采工作 面支 架初 撑力 与 围岩 相互 作用 关 系分 析 5 8 J 煤炭科学技术 ， 2 0 1 4， 4 2 ( 4) ： 1 2 1 5 王丙振 ， 赵淑红 ， 朱守颂 ， 等 综采工作 面支架阻力监测与分析 J 中州煤炭， 2 0 1 6 ( 1 ) ： 8 1 - 8 4 张有为 ， 冯刚 浅埋深煤层长壁工作面矿压显现规律研究 J 煤炭科学技术 ， 2 0 1 4 ， 4 2 ( S 1 ) ： 3 5 - 3 6 ， 3 9 田华 ， 陈新川 ， 罗洪波 ， 等 急倾斜特厚煤 层综放工作面综采 自 动化控制设计与应用 J 中国煤炭 ， 2 0 1 5 ( 8 ) ： 8 5 8 8 ， 9 3 王灿华 ， 梁立勋 ， 卓军 ， 等 急倾斜综采工作 面安全快速安装工 艺 J 煤矿安全 ， 2 0 1 5 ， 4 6 ( 2 ) ： 9 9 - 1 0 2 李政 ， 康天合 ， 黄志明， 等 浅埋综放工作 面矿压特征及支护强 度 实测研究 J 煤炭科学技术 ， 2 0 1 5 ， 4 3 ( 5 ) ： 4 2 - 4 5 ， 4 1 王启佳 ， 孙维 ， 刘中海 液压支架支护 强度的分析计 算 J 煤 矿 机 械 ， 2 0 1 2 ( 7 ) ： 8 - 9 ( 责任编 辑 ： 刘欢欢 ) M ”