超大體積混凝土分層一次澆筑施工與有限元分析★

馮喜俊　方光秀

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林延吉　133002)

超大體積混凝土分層一次澆筑施工與有限元分析★

馮喜俊方光秀*

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林延吉133002)

摘要:通過工程實(shí)例，應(yīng)用斜面分層法，設(shè)計(jì)了超大體積混凝土分層一次澆筑施工方案，總結(jié)出混凝土表面貯水保溫、保濕等施工措施，同時(shí)采用ANSYS軟件，模擬分析了超大體積混凝土在澆筑過程中內(nèi)外溫度的變化，指出其模擬值與理論計(jì)算值較吻合，并提出了回歸方程，為類似工程提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞:大體積混凝土，斜面分層，澆筑施工，有限元分析

我國(guó)GB 50496—2009大體積混凝土施工規(guī)范規(guī)定:混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1 m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土，稱之為大體積混凝土。因?yàn)榇篌w積混凝土要求分區(qū)段、分層進(jìn)行澆搗，每施工分區(qū)段的體積厚大，使其在水泥水化熱反應(yīng)過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部升溫較快。

另外，混凝土是熱的不良導(dǎo)體，散熱的速度非常慢，超大體積混凝土經(jīng)澆筑后，其內(nèi)部的溫度遠(yuǎn)高于外部的溫度，有時(shí)甚至相差50℃～70℃，造成內(nèi)部膨脹外部收縮，使外表產(chǎn)生很大拉應(yīng)力而導(dǎo)致開裂［1-3］。為治理上述質(zhì)量通病，研究超大體積混凝土的分層一次澆筑施工技術(shù)是一項(xiàng)重要課題。

本文針對(duì)超大體積混凝土的體積厚大且內(nèi)外溫差大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)分層一次澆筑施工，同時(shí)提出混凝土表面貯水蓄熱保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施，并采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元模擬分析。

1　工程概況

某工程主樓采用筏形基礎(chǔ)，建筑層數(shù)為28層，如圖1所示。筏基板厚為2.2 m，長(zhǎng)寬為58.5 m×45.5 m，底板面積為2 662 m2。澆筑筏板混凝土工程量超過4 500 m3［4］，屬于超大體積混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1　筏板及超大體積混凝土澆筑施工示意圖

2　超大體積混凝土一次澆筑設(shè)計(jì)

2.1斜面分層法

在實(shí)施斜面分層法時(shí)，每次澆筑工作面控制在3 m，混凝土分4層澆筑，向前推進(jìn)的攤鋪坡度控制在1∶2.5范圍內(nèi)，每層厚度為550 mm。斜面分層澆筑方式如圖2所示。

圖2　斜面分層澆筑方式示意圖

超大體積混凝土分層一次澆筑施工流程與質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)如圖3所示。

圖3　筏基底板混凝土的澆筑施工流程與質(zhì)量控制點(diǎn)

2.2允許澆筑的最大長(zhǎng)度計(jì)算

彈性模量隨時(shí)間的變化規(guī)律［5］:

式中: E( t)——任意齡期的彈性模量;

E( 0)——最終彈性模量，一般取2.6×104N/mm2;

t——混凝土澆灌后的天數(shù);

α，β——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，α=0.09，β=1。

混凝土極限拉伸值計(jì)算。

計(jì)算混凝土澆灌后30 d的極限拉伸值:

混凝土允許整澆最大長(zhǎng)度計(jì)算。

由于h/L = 2.2/58.5≈0.038＜0.2，將式( 1)，式( 2)代入下式:

所以符合分區(qū)段及分層一次澆筑。

3　貯水池蓄熱與保溫及保濕養(yǎng)護(hù)

由于超大體積混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)過快，出現(xiàn)大幅度內(nèi)外溫度差［6］，將產(chǎn)生溫度應(yīng)力，造成表面裂縫，所以其內(nèi)外溫度差是促成裂縫的主因。蓄熱與保溫及保濕養(yǎng)護(hù)的貯水池，如圖4所示。在混凝土表面磚砌分格的貯水池尺寸為3 m×3 m×0.07 m，其貯水高度為0.05 m。經(jīng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，貯水池可有效控制內(nèi)外溫差值而防止裂縫的產(chǎn)生。

圖4　貯水池

4　 ANSYS有限元分析

4.1模型的建立及網(wǎng)格化分

大體積混凝土采用三維實(shí)體Solid70單元，鋼筋采用Link8單元來建模。采用分離式共節(jié)點(diǎn)的方法建立有限元模型［7］，以x軸，y軸為對(duì)稱軸，建立1/4結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示。

圖5　大體積混凝土1/4結(jié)構(gòu)有限元模型

4.2材料基本參數(shù)及邊界條件

文獻(xiàn)［3］的強(qiáng)度隨齡期變化的關(guān)系曲線表達(dá)式為:

式中: t——混凝土齡期，d;

Rf( t)，Rfo——t，28 d齡期的抗拉強(qiáng)度。

混凝土材料及其他參數(shù)如表1所示。

混凝土與土壤接觸面屬于第三類邊界條件，取土壤溫度為定值;在混凝土澆搗過程中的層接觸面采用第四類邊界條件。

4.3計(jì)算結(jié)果

4.3.1有限元結(jié)果分析

為避免提高混凝土的最高溫升、內(nèi)部蓄熱，保溫措施在3 d后進(jìn)行，故本文只考慮混凝土澆筑3 d時(shí)的最高溫升。其分析結(jié)果如圖6所示。

表1　混凝土材料及其熱特性值參數(shù)

圖6　第3天澆筑節(jié)點(diǎn)熱梯度分布示意圖

從圖6可知，澆筑第3天后，大體積混凝土內(nèi)部溫差將達(dá)到37.92℃，在混凝土中心位置將達(dá)到最大溫度60.25℃，且出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，其值約為0.62 MPa。

4.3.2混凝土內(nèi)部溫度的計(jì)算

1)最高絕熱溫升值計(jì)算:

經(jīng)估算可得大體積混凝土內(nèi)部溫度，如表2所示。

表2　大體積混凝土內(nèi)部溫度估算表

4.3.3對(duì)比分析有限元模擬值與理論計(jì)算值

模擬值與理論計(jì)算值的對(duì)比分析，如圖7所示。

圖7　有限元模擬值與理論計(jì)算值對(duì)比示意圖

式中: W——水泥用量，取298 kg/m3;

Q——525號(hào)水泥的水化熱，查手冊(cè)［6］，取461 kJ/kg;

C——混凝土比熱;

γ——混凝土的容重，一般取2 400 kg/m3。

2)混凝土中心最高溫度計(jì)算:

式中: Tj——入模溫度，3月上旬取26℃;

ζ——散熱系數(shù)，查手冊(cè)［6］，取0.63。

3)混凝土內(nèi)部溫度估算:

式中: Tb( t)——混凝土表溫度;

h'——混凝土虛厚度;

λ——混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，取2.33 W/( m·K) ;

K——折減系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)取為0.67;

β——模板及保溫層傳熱系數(shù)。

4)混凝土內(nèi)部溫度估算公式為:

由圖7可知，有限元模擬值在混凝土內(nèi)部中心處較為穩(wěn)定，溫度為最高，且范圍較大;由中心向表面或地基方向，溫度逐漸降低，且溫度變化速率變快。理論計(jì)算值在混凝土內(nèi)部中心處向表面或地基方向變化較為均勻。在距混凝土表面0 m～0.73 m，1.48 m～2.2 m的范圍內(nèi)，理論計(jì)算值基本上大于有限元模擬值，且差異較大;在范圍0.73 m～1.48 m的范圍內(nèi)，理論計(jì)算值與有限元模擬值相近，且最大差值為5.48℃。

應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，提出公式。

有限元模擬值方程: y =－4.48x2+27.21x +16.55。

理論計(jì)算值方程: y =－4.54x2+26.24x +23.54。

5　結(jié)語

1)應(yīng)用斜面分層法設(shè)計(jì)超大體積混凝土分層一次澆筑施工，不留設(shè)施工縫或后澆帶，較好地克服了超大體積混凝土厚度大不易澆筑、水化熱溫度高容易產(chǎn)生裂縫等質(zhì)量通病。

2)貯水池蓄熱與保溫及保濕養(yǎng)護(hù)措施，有效減少超大體積混凝土內(nèi)外溫度差值，最高可達(dá)19.7℃，使混凝土內(nèi)表溫差控制在規(guī)定值范圍內(nèi)。

3)通過ANSYS有限元分析，混凝土在進(jìn)行保溫保濕處理之前，能達(dá)到較大溫度值。通過與理論計(jì)算值比較，提出溫度應(yīng)力變化規(guī)律，模擬值與計(jì)算值較吻合，并提出回歸方程，為類似工程應(yīng)用提供借鑒。

參考文獻(xiàn):

［1］童育林.大體積混凝土裂縫控制研究［D］.重慶:重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

［2］李繼業(yè).新型混凝土實(shí)用技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］楊碧華，李慧強(qiáng).早齡期大體積混凝土溫度應(yīng)力與裂縫的關(guān)系［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版)，2002，19( 4) : 76-77.

［4］李彬彬.大體積混凝土溫度應(yīng)力有限元分析［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2007.

［5］蘇有文.大體積混凝土施工過程溫度應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)及有限元分析［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38( 4) :442-447.

［6］趙志緒.高層建筑施工手冊(cè)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1991.

［7］王輝.大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力有限元分析［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2010.

Layering a large volume concrete pouring construction design and finite element analysis★

Feng Xijun Fang Guangxiu*
( College of Engineering，Yanbian University，Yanji 133002，China)

Abstract:Through engineering examples，this paper used slant layered method to design the layering a large volume concrete pouring construction，at the same time used the construction measures such as concrete surface kept temperature and humidity，the ANSYS software simulation analysis of large volume concrete during casting internal and external temperature changes，the theoretical results of the simulated values fit well with the theoretical calculation value，and proposes the regression equation，provided reference for similar engineering.

Key words:large volume concrete，freehand shapes，pouring construction，finite element analysis

通訊作者:方光秀(1967-)，男，博士，教授

作者簡(jiǎn)介:馮喜俊(1989-)，男，在讀碩士

收稿日期:2015-11-27★:延大土木工程建造技術(shù)教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):802014010)

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0093-04

中圖分類號(hào):TU745.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A