基于Ansys的大體積混凝土溫度場有限元分析

鄭思敏

（新疆玉點(diǎn)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，烏魯木齊830002）

混凝土水化時(shí)必然產(chǎn)生水化熱，對于小體積混凝土，水化熱較小同時(shí)比表面大，使得少量的水化熱能夠較快消散，而大體積混凝土水化熱總量大且比表面小，水化熱難以散去。容易產(chǎn)生不均勻的溫度場和應(yīng)力場，從而使混凝土產(chǎn)生裂縫。當(dāng)大體積混凝土在夏季施工時(shí)，更加劇了混凝土開裂的程度。因此在大體積混凝土澆筑中有必要研究溫度場對混凝土開裂的影響規(guī)律。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常只考慮荷載（地震作用）產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，截面積尺寸和鋼筋用量均是按照荷載效應(yīng)確定。然而對于筏板、箱型基礎(chǔ)等的設(shè)計(jì)，溫度場的影響不可忽略。但是通常的構(gòu)造配筋并不能保證按照實(shí)際情況配置，因此有必要充分掌握大體積混凝土的開裂規(guī)律。

該文利用大型通用有限元Ansys軟件，研究了在溫度場作用下的筏板基礎(chǔ)溫度應(yīng)力場的分布情況，并探討了減小裂縫的措施，以期為其設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況與有限元模型

某超高層建筑總建筑面積81 200m2，4層地下室，底板采用筏板基礎(chǔ)，厚1.5m。該文以筏板基礎(chǔ)Ⅱ區(qū)的混凝土筏板作為研究對象，模擬混凝土澆筑期間溫度對筏板的影響。由于施工工期緊，筏板在Ⅱ區(qū)的混凝土連續(xù)澆筑，澆筑期間砼的施工溫度Tp＝34℃，澆筑初期筏板的墊層溫度為30℃，當(dāng)?shù)厝粘＞鶞豑a＝33℃?；炷翉?qiáng)度等級為C40，配合比見表1，其他參數(shù)參見限于篇幅不再敘述。施工期間在筏板基礎(chǔ)中分上、中、下三部分埋設(shè)溫度傳感器，如圖1所示。

表1 C40混凝土配合比

Ansys是一款通用的大型有限元軟件，在熱分析中，利用SOLID70單元來模擬筏板。地基與基礎(chǔ)混凝土的熱工參數(shù)見表2［1－5］。

表2 熱工參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 溫度場分析

圖2為測點(diǎn)1的計(jì)算結(jié)果，圖3為測點(diǎn)的實(shí)際測量溫度。由圖2可知，筏板基礎(chǔ)上部、中心和下部溫度大體變化趨勢相同，在前期由于水泥水化放熱，溫度均處于上升趨勢，當(dāng)在4d左右的時(shí)候，混凝土水化反應(yīng)速率降低，水化熱減小，因此筏板基礎(chǔ)上部、中心和下部溫度均降低。由于上部與外界大氣接觸，空氣流動性強(qiáng)，所以溫度始終最小，而前期中部溫度要大于下部溫度，3～4d后由于下部與墊層接觸熱量難以散去。

由圖2和圖3可知，實(shí)際測量的中部溫度和計(jì)算的中部溫度變化趨勢和峰值基本相同，說明了模型的正確性。但是實(shí)際的變化圖有比較明顯的上下波動，主要是外界天氣的影響。

筏板基礎(chǔ)內(nèi)外有較大的溫度差，在3～4d時(shí)，其值達(dá)到最大，可知：在澆筑第3d左右內(nèi)外溫差出現(xiàn)最大值，差值為35℃左右。

圖4和圖5分別為筏板基礎(chǔ)的第3d和第36d的應(yīng)力云圖。由圖2～圖5可知，大體積混凝土筏板的溫度裂縫在升溫和降溫階段均會產(chǎn)生裂縫。在升溫階段，混凝土內(nèi)部受壓，內(nèi)外溫度差較大，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力致使混凝土表面產(chǎn)生溫度裂縫。在降溫階段，混凝土主要產(chǎn)生收縮變形。但是由于筏板基礎(chǔ)受到周圍土體的約束，筏板基礎(chǔ)在內(nèi)部拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生溫度裂縫。

2.2 截面應(yīng)力結(jié)果分析

圖6和圖7分別為筏板基礎(chǔ)在不同時(shí)期X向和Y向的剖面溫度應(yīng)力云圖。由圖6和圖7可知，對于同一斷面的筏板基礎(chǔ)，由于受到內(nèi)外溫差的影響，其上下表面拉應(yīng)力均較大。

在不同的時(shí)期，混凝土內(nèi)部受力比較復(fù)雜，前期升溫階段筏板內(nèi)部受熱膨脹受到外部混凝土的限制，致使內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，外部受拉從而導(dǎo)致外部開裂。而在后期降溫階段主要是拉應(yīng)力起主導(dǎo)作用。

3 裂縫的控制措施

影響混凝土開裂的因素有很多，例如材料本身的收縮，溫度，濕度，荷載等。針對影響各種因素有不同的措施，該文重點(diǎn)討論溫度裂縫控制措施。

大體積混凝土溫度裂縫主要是內(nèi)外部的溫度不同，從而導(dǎo)致混凝土開裂。因此合理控制內(nèi)外溫度差，是解決溫度裂縫的途徑。溫度裂縫控制的措施有：

混凝土水化熱是產(chǎn)生裂縫的根本原因，因此可以合理選擇低水化熱的水泥材料，例如火山灰水泥、礦渣水泥等低水化熱的水泥。

在選用高水化熱的水泥時(shí)，可以根據(jù)情況適量添加活性材料，例如粉煤灰，礦渣等。

選用合適的外加劑，例如減水劑，引氣劑等。

大體積混凝土分層分段澆筑。

合理配置構(gòu)造筋：混凝土產(chǎn)生裂縫的根本原因是由于混凝土的抗拉強(qiáng)度低，因此在筏板容易出現(xiàn)拉應(yīng)力的地方配置合理的鋼筋，理論上就可以控制裂縫的開展。由于混凝土內(nèi)部在是升溫階段，內(nèi)部出現(xiàn)壓應(yīng)力，降溫階段出現(xiàn)拉應(yīng)力但是較小，所以大體積混凝土內(nèi)部從溫度方面考慮，就無需配置溫度構(gòu)造筋。筏板基礎(chǔ)上下表面會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，因此在混凝土的上下表面要配置合理的構(gòu)造筋限制裂縫的開展。同時(shí)，可以根據(jù)不同的部位采用不同的鋼筋率，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

a.筏板基礎(chǔ)在混凝土澆筑前期溫度升高較快，在3～4d，達(dá)到峰值，后期降溫趨勢平緩。

b.筏板基礎(chǔ)上部、中心和下部溫度變化趨勢相同，但是有溫差。上部溫度始終較小，中部溫度前期大后期小于下部溫度。

c.筏板基礎(chǔ)升溫階段內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，后期降溫階段內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。

d.通過實(shí)測和計(jì)算結(jié)果可知，驗(yàn)證了有限元模型的正確性，利用Ansys軟件分析大體積混凝土溫度場作用下的力學(xué)性能是可行的。

［1］ 徐鶴山.ANSYS在建筑工程中的應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］ 東方人華.ANSYS7.0入門與提高［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［3］ 郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［4］ 李黎明.ANSYS7.0有限元分析實(shí)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［5］ 王一凡，寧興東，陳堯隆等.大體積混凝土溫度應(yīng)力有限元分析［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2010，21（1）：109－103.