大體積混凝土基礎(chǔ)底板溫度及應(yīng)力場模擬

侯景鵬，張藝騫，陳 群

(1．東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012;2．國網(wǎng)山東省電力公司膠州市供電公司，青島山東266300)

大體積混凝土基礎(chǔ)底板正在被廣泛應(yīng)用，其設(shè)計和施工技術(shù)都有了重大的進展，可是還有許多技術(shù)問題急需處理［1～2］．例如在一些工業(yè)建筑中大體積混凝土基礎(chǔ)底板溫度裂縫控制問題［3～6］．

水工領(lǐng)域中的大體積混凝土溫度控制理論發(fā)展較為迅速，已經(jīng)有了較為完善的理論基礎(chǔ)，可水工結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)區(qū)別較大，大體積混凝土基礎(chǔ)承臺工程具有一定的特殊性，其溫度裂縫控制理論不夠完善，處在理論與經(jīng)驗結(jié)合運用的階段，所以通常工程師只能根據(jù)自己的施工經(jīng)驗進行施工［7～8］．因此，現(xiàn)在工程師急需一種能夠模擬大體積混凝土基礎(chǔ)底板溫度場的方法［9］，減少溫度裂縫，用以指導(dǎo)工程實踐．

1 工程概況和測溫方案

1.1 工程概況

該工程為朝陽熱電新建工程，底板施工所包括的施工任務(wù):基礎(chǔ)(包含墊層)、框架柱、池壁等組成．汽輪機基礎(chǔ)底板南北方向長13．8 m，東西向長28．95 m，高2．3 m．

底板采用斜面分層澆筑方法，每層澆筑厚度小于400 mm．混凝土澆筑完成后應(yīng)盡快用兩層薄膜加三層棉氈保溫覆蓋，然后澆水保濕養(yǎng)護．底板為C35混凝土，配合比如表1所示．

表1 C35混凝土配合比

1.2 測溫方案

汽輪機基礎(chǔ)上留設(shè)9組測溫布置點，每組包含3個測溫點，依次位于距混凝土底部50 mm處，中部和距上表面50 mm處，共27個測點，如圖1、圖2所示．利用PX－2型混凝土普通測溫計進行測溫，現(xiàn)場專人值班測溫，每天測溫12次，連續(xù)測量兩周．大氣中布設(shè)4個測點來測量四周空氣溫度．

圖1 測溫點位示意圖

圖2 測溫點豎向布置圖

2 溫度分析

2.1 計算模型

用有限元軟件Ansys進行分析，對基礎(chǔ)底板及其下部地基土進行等比例建模，根據(jù)對稱性，取承臺的1/2建立模型;地基土長40 m，寬30 m，高5 m．混凝土單元選擇Solid70，采用映射網(wǎng)格劃分．瞬態(tài)傳熱問題所用材料具體參數(shù)，如表2所示．

表2 材料熱特性數(shù)據(jù)

Ansys中用生熱率HGEN函數(shù)來計算混凝土絕熱溫升:

式中:Qh(t)為混凝土生熱量，kJ;HEGN為混凝土生熱率，kJ/(m3·h)．

2.2 荷載施加及計算

大氣與混凝土底板表面相接觸，屬于第三類邊界條件;混凝土下表面與地基土直接接觸，接觸面溫度相同且進行熱傳導(dǎo)，屬于第一類邊界條件．

混凝土澆筑溫度28℃，環(huán)境平均溫度20℃，地基溫度17℃，環(huán)境溫度施加于混凝土底板表面．把水化放熱速率施加于混凝土底板上來模擬水泥的生熱反應(yīng)．確定計算時間為10 d，子步取 0．5 d．

2.3 結(jié)果分析

由圖3實測值可以看出，最高溫度出現(xiàn)在第3天，底板中心溫度為73℃，下部溫度為58℃，表層溫度為48℃．底板中部溫度與表層溫度最大差值為25℃，有產(chǎn)生裂縫的危險．對比實測與模擬溫度可見，底板中心的實測溫度與模擬溫度發(fā)展趨勢一致，溫度峰值同樣出現(xiàn)在第3天，模擬值為70．9℃，比實測值低 2．1 ℃，相差 2．9%．

圖3 基礎(chǔ)實測與模擬溫度

如圖4所示，在升溫階段，中部混凝土升溫幅度最大，兩天升溫達14．1℃，平均每天升溫7．05℃，下部次之，底板上表層升溫幅度最?。鐖D5所示，在降溫階段，中部混凝土降溫幅度最大，四天降溫9．2℃，平均每天降溫2．3℃;上部混凝土次之，四天降溫9℃，平均每天降溫2．25℃;底部混凝土降溫幅度最小，四天降溫5．35℃．如圖4、圖5所示，升溫速率高于降溫速率，基礎(chǔ)底板最高溫度出現(xiàn)在中心處．在降溫階段，基礎(chǔ)底板上表層混凝土與中部混凝土最大溫差為25℃，超過規(guī)范的要求．

如圖4、圖5所示，底板上表層溫度最低，底部較高，中部溫度最高．這是因為頂面與周圍空氣為對流傳熱，熱量散失快，溫度降低的也快．底面混凝土與地基土直接連接，一些熱量被土壤直接吸收，熱量散發(fā)與頂面相比較慢．所以，應(yīng)注意上表層混凝土的保溫，減小上表層與中部混凝土的溫差．

圖4 升溫階段基礎(chǔ)中心沿厚度方向變化

圖5 降溫階段基礎(chǔ)中心沿厚度方向變化

3 應(yīng)力分析

3.1 荷載施加及計算

混凝土熱應(yīng)力問題是溫度場和應(yīng)力場之間的相互作用，是耦合場分析的問題．通過Ansys運用間接法先進行熱分析，然后把得出的節(jié)點溫度作為體荷載施加到應(yīng)力分析中［10～12］．

本文采用間接法進行分析［13］．熱單元Solid70轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力單元Solid45，定義隨齡期變化的混凝土彈性模量，混凝土早期彈性模量增長可用復(fù)合指數(shù)公式描述:

式中:E(t)為不同齡期的混凝土彈性模量，GPa;E0為混凝土當(dāng)t→∞ 時的彈性模量，根據(jù)實驗資料，C35混凝土可取31．5 GPa;t為齡期，天．

確定邊界條件:汽輪機基礎(chǔ)底面與地基土接觸處施加固結(jié)，其余面自由．最后，導(dǎo)入熱分析的結(jié)果進行計算．

3.2 結(jié)果分析

圖6 承臺溫度應(yīng)力變化

圖8 承臺溫度應(yīng)力等值線

如圖6、圖7所示，底板上表面和底面為拉應(yīng)力．上表面拉應(yīng)力增長緩慢，在第七天產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，其值為2．3 MPa．底板下表面與地基接觸邊緣拉應(yīng)力增長較快，應(yīng)力從混凝土凝結(jié)開始就已超過混凝土極限抗拉強度，應(yīng)注意基礎(chǔ)部位的養(yǎng)護．由于底板上表層和底層在早期水化過程中受拉應(yīng)力，所以要加強這兩個部位的配筋，以抵抗混凝土底板的收縮變形．此外，為防止大體積混凝土因水化熱而產(chǎn)生裂縫，需選擇適當(dāng)?shù)幕炷僚浜媳龋?4～15］，選擇水化熱低的水泥，良好級配的粗骨料，減少水泥用量，保證混凝土強度的條件下多摻加粉煤灰．

4 結(jié) 語

(1)基于混凝土水化放熱模型構(gòu)建了三維有限元模型，選擇合理參數(shù)對混凝土水化熱進行有限元模擬．

(2)底板內(nèi)部溫峰出現(xiàn)在澆筑后第3天，中部溫度最高，達到73℃．實測與模擬出現(xiàn)最大溫升的數(shù)值基本相同，均是在3天達到最大值，誤差到2．1℃．

(3)基礎(chǔ)底板升溫速率大于降溫速率，上表層與中部混凝土降溫速率較快．為了減小上表層與中部混凝土的降溫速率，減少混凝土收縮與溫度裂縫，應(yīng)做好保溫措施．

(4)模擬得出了混凝土底板上表層與底部應(yīng)力隨時間的變化情況．其中底部與地基接觸邊緣處一開始就已超過極限抗拉強度，上表層最大拉應(yīng)力在第七天達到最大值2．3 MPa．所以，底板上表層與底部應(yīng)加強配筋，減小混凝土的最大拉應(yīng)力．

參考文獻

［1］ 朱伯芳．大體積混凝土的溫度應(yīng)力和溫度控制［M］．北京:中國水利水電出版社，1999．

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

［3］ 王鐵夢．工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997．

［4］ 葉琳昌，沈義．大體積混凝土施工［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1987．

［5］ 雷臘梅．超長地下室墻體溫度應(yīng)力分析及其系統(tǒng)開發(fā)［D］．西安:西安理工大學(xué)，2007．

［6］ 朱伯芳．水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力及其控制［J］．水利水電技術(shù)，2008，39(9):31－35．

［7］ 侯景鵬，劉立軍，陳晨．混凝土底板溫度分布及溫度應(yīng)力分析［J］．混凝土與水泥制品，2009(5):54－55．

［8］ 閻培渝，胡瑾，周予啟．大體積底板混凝土施工技術(shù)路線選擇［J］．施工技術(shù)，2013，42(24):32－34．

［9］ 匡研藝．大體積混凝土結(jié)構(gòu)三維溫度場、應(yīng)力場有限元分析［J］．水力發(fā)電，2014，40(2):65－67．

［10］鄭思敏．基于ANSYS的大體積混凝土溫度場有限元分析［J］．建材世界，2013，34(4):23－25．

［11］楊杰，毛毳，侯霞，等．大體積混凝土溫度場及溫度應(yīng)力的有限元分析［J］．天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報，2012，18(4):270－274．

［12］趙常煜．大體積承臺混凝土水化熱溫度有限元分析與控制［J］．鐵道建筑，2012(9):47－49．

［13］苗勝軍，叢啟龍，任奮華，等．基于ANSYS的大體積混凝土的水化熱模擬研究［J］．四川建筑科學(xué)研究，2009，35(2):194－197．

［14］秦力，李敏，丁婧楠．高溫高濕養(yǎng)護對高強混凝土耐久性的影響［J］．東北電力大學(xué)學(xué)報，2016，36(1):18－22．

［15］秦力，張友奇，宮森保紀(jì)，等．多跨預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)動力特性研究［J］．東北電力大學(xué)學(xué)報，2016，36(5):73－79．