大体积混凝土结构施工中水化热温度场的有限元分析.pdf

第 3 3卷 第 8期 V0 1 3 3 No 8 建筑施工 B UI L D I N G C 0 N S T R U C T 1 0 N 大体 积混凝 土结构 施工 中水 化 热 温度 场 的有 限元 分 析 Fi ni t e - El e m e nt Ana l y s i s o f Te mpe r a t u r e Fi e l d o f M a s s Co nc r e t e Hy d r a t i o n He a t i n St r uc t u r a l Co ns t r uc t i o n 口 费舂 ( 上海市第七建筑有 限公 司 2 0 0 0 5 0 ) 【 摘 要】 采用有限元软件对大体积承台水化过程中的温度场和温度应力进行了模拟研究，混凝土中心温度变化的模拟结果 与实测数据反映一致； 此外，温度应力最大值小于混凝土的抗拉应力，没有出现温度裂缝，这与工程实际相符。经工程实践证 明， 把有限元分析应用于混凝土配比的选取，来预防施工中出现的温度裂缝是一种行之有效的方法。 【 关键词 】大体积混凝土温度裂缝有限元 【 中图分类号 】 T U 7 5 5 ， 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 1 0 8 0 7 2 0 0 3 0 引言 1 1 随着高层建筑结构及地下结构的发展， 大体积混凝土基 础的应用已非常普遍。在大体积混凝土结构施工过程中， 采 取有效的措施控制由温度应力引起的裂缝是保证施工质量 的关键。 温度应力是由混凝土内部水化热和外部散热所产生 的温差引起 ， 因此， 控制温度裂缝的产生实质上是控制大体 积混凝土的梯度。在工程实践中， 主要采取的温控措施有选 择低水化热的水泥、 分层分块浇筑及合理养护等。 合理选取温控措施的关键是混凝土温度场的计算 ， 目前 主要的计算方法为经验公式法， 但该方法未能考虑混凝土内 部温度的连续性及其受连续变化的外界气温的影响。 现以上 海地区某深基坑工程为例进行介绍。 1混凝土温度场的热传导理论 【 作者简介】 费 春( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 本科， 工程师。 联 系地址： 上海 市延平路 1 2 1 号 8楼( 2 0 0 0 4 2 ) 。 【 收稿日期】 2 0 1 1 - 0 8 0 9 瞬态热传导方程 混凝土的水化热问题实际上是固体内有热源的传导问 题， 其热传导方程为 1 ： a T = ( + + 窘) + _ _0 0co O x z f a a a f 式中c为混凝土比热； A为混凝土导热系数 ； 为时间； P为混凝土的密度 ； 0为混凝土绝热温升 ； 伪 混凝土内部坐标( x ， J ， ， Z ) 处的温度。 1 2 初始条件与边界条件 由于瞬态热传导方程的解有无数多， 因此要确定唯一的 温度场， 还需要确定初始条件与边界条件。初始条件由混凝 土的入模温度确定 ， 边界条件则包括以下 3 类。 初始条件， 初始瞬态时温度分布为常数： T ( x ， Y ， z ， 0 ) = =常数 ( 2 ) 第一类边界条件， 边界温度 7 - 是时间的已知函数： t ) =fit ) ( 3 ) 第二类边界条件， 边界热流量是时间的已知函数： 为了建立一种方便快捷的水损害评价试验方法， 我们在 分析国内外水损害试验方法的基础上， 针对劈裂强度和稳定 度两项指标的温度函数进行 了对比分析 ， 并在试验研究的基 础上发现两者的温度函数具有相同的变化趋势。据此， 我们 提出了用多温度下马歇尔试验判别沥青混合料的抗水损害 性能的方法， 该方法实现 了快速、 便捷的现场检验沥青混合 料抗水损害性能的要求。 7 2 O 参 考 文 献 【 1 1张登良 沥青路 M】 北京： 人民交通出版社， 1 9 9 9 2 J T J 0 5 2 2 0 0 0 公路工程沥青及沥青混合料试验规程【 s 】 北京： 人 民交通 出版社 2 0 0 0 【 3 】 江苏交通科学研究院 大粒径沥青混合料的研究报告【 R 】 南京： 江 苏交通科 学研 究院， 2 0 0 2 4 Da l l a s N L i L L I e ， J o n A E p p s T h e b e n e fi o f h y 一 al e d l i me i n h o t mi x m p h al t li me J J o u r n a l o f T mn s p o r L u L i o n E n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ( 9 ) 【 5 1 张宏超， 孙立军 沥青混合料水稳定性能全程评价方法研究U 】 同 济大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 2 ( 4 ) 费 春： 大体积混凝土结构施工中水化热温度场的有限元分析 第 8期 一 A ( 4 ) 第三类边界条件 ， 边界热流量与混凝土表面温度 7 _ 和 T a 气温之 差程 正比 ： q =p( 卜 ) ( 5 ) 式 中，B 为表面放热系数 ； T o 为 空气温度 。 2 工程概 况及模 型建立 本文算例工程基坑整个地块东西长约 2 9 0 m ，南北向 1 2 0 m 一1 5 0 m ，占地面积 4 1 3 4 5 m ，地下设 3层整体地下 室 ， 基础底板厚度分别为 1 O m和 1 5 m， 部分区域为 2 0 m 。 底板施工过程中采取分块浇筑工艺，每块平面尺寸约为 6 0 m X 6 0 m 。根据分块特点， 温度测点布置在中心区域 ， 沿 厚度 自上向下等距布置 3 个温度测点 ，在温度峰值出现之 前 ， 每 2 h 观测一次， 峰值出现后， 每 4 h 观测一次， 持续 5 d ， 然后转入每天 2 次 ， 直至基本稳定 ， 即时记录结果( 图 1 、 图 2 ) 。 L 一 鲢 鲤一一 图 2 测温点剖 面布置 本文工程中取底板 1 ， 4建立三维有限元模型 ，尺寸为 3 O m X 3 0 m X 1 5 m 。底板混凝土浇筑温度场是瞬态的和有 内热源的， 主要的传导方式为热传导和热对流， 因热辐射影 响较小， 本文中忽略不计。 仅根据实际施工状况， 模拟实际对 流和热生成情况， 施加荷载来确定边界条件。由于边界上存 在着空气与混凝土的热对流， 属于第三类边界条件， 所以对 称面应按绝热面来处理 ， 并将混凝土的生热率作为体荷载施 加在大体积的混凝土上， 来模拟水泥的物理化学反应生热。 水泥水化热是影响混凝土温度应力的一个重要因素。 水 泥水化热依赖于混凝土龄期， 可根据热生成公式进行计算： 0 ( 7 ) = 0 o ( 1 一e- m ) ( 6 ) 式中， 0 ( r ) 为龄期 1 _ 时的累积水化热 ； 为单位重量 水泥最终水化热； f 7 为与水泥品种、 温度相关的常数， 本文取 0 9 圆 。对其求导即可得到水泥水化热的生热率。 由于浇筑期间正处夏季， 设外界空气温度为 3 0 c c， 混凝 土入模平均温度为 2 8 c c 。 温度场计算时混凝土单元选用三维温度单元 s o l i d 7 0 。 结构计算时， 采用实体单元 s o l i d 4 5 ， 荷载为混凝土热分析 温度场结果( 图 3 ) 。混凝土配合比见表 1 。 图 3有限元模型 表 1 计算部位 c 3 o 混凝土配合比 1 种类 I 水 矿 粉煤划 水 l 砂 碎石J 外 加刑总 计 I 质 量 -m I 2 0 3 I 8 7 I 7 3 l 1 9 3 I 7 7 3 1 0 6 9 I 2 I 2 4 0 0 百分比 I 8 4 6 l 3 6 3 3 0 5 l 8 0 4 l 3 2 3 4 4 6 l O 1 0 I 1 0 0 3 数值计算结果分析 3 1 温度计算结果分析 图 4为基础底板中心点温度随时间变化的曲线图。 图中 计算值与实测值对比情况显示，两者变化趋势基本吻合， 最 高温度均 在浇筑 后的第三天 出现 ，计算值最高 温度为 6 4 5 c c，实测值最高温度为 6 5 4 o c，计算值误差为 2 9 茗 左 右。 另外 ， 图 4中显示升温阶段两者变化曲线基本重合 ， 平均 升温速率为 1 3 c c d ， 降温阶段的降温速率逐渐减小， 且实测 值要比计算值略低。 这可能是由于本文在建立模型边界条件 的时候未考虑热辐射的影响， 以及后期养护过程中外界温度 的变化对温度场的影响。但从计算值与实测值比较情况看 ， 说明本文中模型建立较为合理， 模拟计算结果可以作为相应 工程施工的参考。 图 5 与图 6 分别为自浇筑起一周内截面厚度各测点处 同一时刻温度分布情况， 其中纵坐标 1 0 m处表示混凝土中 心处， 0 m与 1 5 m处分别表示混凝土截面底部与表面处。 模拟计算结果显示混凝土中心与表面最大温差为 l 7 c c 左 右 ，实测内外最大温差为 1 8 c IC 左右 ，均超过规范规定的 2 0 o c 。 这表明该工程混凝土配合比选择较为合理， 有效地控 制了大体积混凝土内外的温差在合理范围内。 篡 霎 荔 篓 图4混凝土中心点温度随时间发展曲线 7 2 1 第 8期 费 春： 大体积混凝土结构施工中水化热温度场的有限元分析 图 5截 面各点计 算值 同一时刻温度分布 温度 图 6 截 面各 点 实测值 同一时刻温度分布 3 2温度应力计算结果分析 在温度应力场计算过程中，我们将混凝土底板处进行 了固接处理。 图 7 、 图 8与图 9 分别为底板混凝土 x 、 Y和 M i s e s 应力 分布云图。 应力场分布结果显示， 最大拉应力( 最大综合降温 收缩应力 ) 分布在混凝土内部 ， 计算值为 1 3 1 X 1 0 P a ， 小于 C 3 0 混凝土抗拉强度值 2 0 1 1 o 6 P a ， 因此 ， 混凝土内部不会 出现温度裂缝。根据对现场底板混凝土的观测与检测， 我们 未发现有底板裂缝的产生。 由于混凝土从浇筑至达到设计强度需要一定的时间， 在 刚浇筑阶段强度一般较低 ， 且该阶段温升较快 ， 易形成较低 的温度梯度， 这对控制温度裂缝的产生十分不利。 因此， 混凝 土强度到达设计强度之前是温度应力控制的关键时期。 为了 进行有效地养护，本工程在混凝土浇筑完毕后立即铺设麻 袋， 并采用表面蓄水的方法进行养护 ， 有效地降低了温度梯 度， 减小了温度应力。 实践表明， 采取该方法进行养护取得了 良好的效果。 4 结论 7 2 2 圈 7 底板混凝土 x向应力云 图 图 8 底板混凝土 z 向应力云 图 图 9 底板 混凝 土米赛斯 应力云图 本文 对某工程地 下基础底板 大体积 混凝土温度 场及 温 度应力场进行了三维数值模拟计算 ， 并将计算结果与实测数 据进行了对比， 得出以下结论： ( 1 ) 热分析计算结果表明， 混凝土温度场是随时间不断 变化的， 其最高温度在浇筑后的第三天出现， 计算值最高温 度为 6 4 5 o C，实测值最高温度为 6 5 4 o c，计算值误差在 2 9 茗 左右 ， 为工程允许的范围内。其温度变化规律是先不断 升温， 然后逐渐降温， 降温速率随时间的推进不断减小， 最后 趋于外部环境温度 ， 并逐渐稳定。 ( 2 ) 由于温度应力计算最大拉应力分布在混凝土内部 ， 拉应 力值为 1 3 1 X 1 0 P a ，小于 C 3 0混凝土抗拉 强度值 2 0 1 1 0 P a ， 因此， 混凝土内部不会出现温度裂缝。 ( 3 )本文没有很好地考虑外界温度与混凝土强度随时 问变化对温度场及温度应力场的影响。但结果显示， 计算值 与实际值两者情况较为吻合， 表明本文中模型机参数的选取 具有较高的合理性， 且对实际工程具有一定参考价值， 其能 够指导大体积混凝土的施工并避免混凝土有害裂缝的产生。 参考文献 【 1 】何颐华， 杨斌， 金宝森， 等 双排护坡桩试验与计算的研究 】 建筑 结构学报 ， 1 9 9 6 ， 1 7 ( 2 ) ： 5 8 - 6 6 2 】朱伯芳 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 【3 J李东， 潘育耕 混凝土水化热瞬态温度场数值计算过程中的水化 热规律及水化热速率问题I J 】 西安建筑科技大学学报， 1 9 9 9 ， 3 1 ( 3 ) ： 2 7 7 2 7 9 【 4 J苗胜军， 等基于A N S Y S 的大体积混凝土的水化热模拟研究U 】 四川建筑科学研究， 2 0 0 9 ，3 5 ( 2 ) ： 1 9 4 - 1 9 7 【5 】张枫 混凝土热工参数实验研究【 D 】 上海同济大学， 2 0 0 9