補(bǔ)償收縮混凝土澆筑溫度有限元分析

王雙嬌

摘要：為了研究大體積補(bǔ)償收縮混凝土澆筑中的溫度應(yīng)力分布特點(diǎn)，以漢秀劇場(chǎng)的中央表演水池混凝土澆筑為原型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了合理的ABAQUS有限元模型。模擬結(jié)果表明水池底板開(kāi)始澆筑時(shí)，最大溫度發(fā)生在底板與柱子的交接處，隨著時(shí)間的推移，底板產(chǎn)生的水化熱對(duì)板下支撐的溫度應(yīng)力影響越來(lái)越小。水池側(cè)壁溫度表現(xiàn)為沿墻厚方向，中心溫度高，表面溫度低。有限元模擬的混凝土澆筑時(shí)間與溫度曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，表明本文采用的材料參數(shù)、水化熱加載方式、以及有限元模型具有較好的精度，可為后續(xù)對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土澆筑溫度研究提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)償收縮混凝土；混凝土澆筑溫度；水化熱；有限元模擬

中圖分類號(hào)：TU375，TU398 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Finite element analysis of temperature of shrinkage-compensating concrete during construction

WANG Shuangjiao1

（Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute co.ltd，5th design institute，Guangzhou，510000，China）

Abstract：In order to study the temperature stress distribution of massive shrinkage-compensating concrete during construction，Concrete casting process of Central performance pool in Wuhan theatre as the prototype，combining with the test data to establish the reasonable ABAQUS finite-element model. Simulation results show that the maximum temperature occurs in the junction of the bottom plate and a column when started. With the passage of time，the heat of hydration produced by concrete casting has less and less influence on the temperature stress of the supporting part under the plate. The temperature of the side wall of the pool is in the direction of wall thickness，with high center temperature and low surface temperature. The time and temperature curves of concrete pouring simulated by finite element method agree well with the test data. The results show that the material parameter，the way of Hydration heat to load and the finite-element model are reasonable. It can provide a basis for the subsequent research on the temperature of shrinkage-compensating concrete during construction.

Key words：Shrinkage-compensating concrete；Concrete placement temperature；Hydration heat；Finite-element simulation analysis

1、工程概況

武漢中央文化區(qū)秀場(chǎng)工程——緊鄰六星酒店，地塊呈扇形，地上為獨(dú)立建筑，地下與緊鄰的六星級(jí)酒店及規(guī)劃中的地鐵連通，外形為紅燈籠造型，觀眾廳大堂為三層。秀場(chǎng)的建筑高度約70米，總建筑面積8.6萬(wàn)㎡。

中央表演水池是漢秀劇場(chǎng)的一大亮點(diǎn)，總儲(chǔ)水量達(dá)到10443.1方。其池底標(biāo)高為-10.25m，池頂標(biāo)高為-0.15m，池底為1.0m厚的鋼筋砼抗?jié)B樓板，平面面積約為1228平米，周邊池壁為1.0m厚的鋼筋砼抗?jié)B墻體，墻體總長(zhǎng)約287m。池壁和底板均采用C40P10補(bǔ)償收縮混凝土，水池高：10.1m。池底樓板混凝土用量：1228 m3，池壁混凝土用量：2870 m3。

2、混凝土澆筑特點(diǎn)

本工程的水池底板、側(cè)壁大部分為1.0m厚，屬大體積混凝土。大體積砼因散熱降溫引起的冷縮比干縮容易引起開(kāi)裂，為了控制混凝土澆筑時(shí)溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。材料采用武漢華新水泥廠股份公司總廠生產(chǎn)的低堿低熱P.O 42.5強(qiáng)度等級(jí)的水泥，細(xì)骨料采用岳陽(yáng)出產(chǎn)的中粗河砂。底板采用一次澆注，不留施工縫。底板及側(cè)壁混凝土中摻加適量高效多功能復(fù)合防水劑做成補(bǔ)償收縮混凝土，添加劑具備防水、減水、緩凝、微膨脹、降低混凝土水化熱及減少收縮等功能，且在施工前應(yīng)作相溶性及配合比試驗(yàn)。

3、混凝土澆筑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

本次監(jiān)測(cè)共選取有代表性的截面6個(gè)，每個(gè)截面布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，位于墻邊源（模板內(nèi)側(cè)）2個(gè)，墻體中部1個(gè)，其中1-1截面測(cè)點(diǎn)距底板1米，2-2、3-3截面測(cè)點(diǎn)距底板4米，見(jiàn)圖3.1。

4、補(bǔ)償收縮混凝土澆筑ABAQUS有限元分析

4.1 材料屬性選取

4.2 模型建立

4.2.1建模條件

1.建模：考慮水池以下的墻、柱，水池底板以及水池側(cè)壁

2.分析步：選用溫度-位移耦合，在荷載和相互作用中輸入上表中相應(yīng)需輸入的參數(shù)。

3.單元：為溫度-位移的計(jì)算單元C3D8T（八結(jié)點(diǎn)熱耦合六面體單元），網(wǎng)格劃分為10m一個(gè)單元。

4.邊界條件：混凝土柱與水池底板邊緣為固定端。

5.荷載：混凝土的水化熱產(chǎn)生的熱量，由體熱通量的形式輸入。qv=5220e-3t/80 kJ/m3·h。

6.材料：對(duì)流交換系數(shù)在拆模前取15 kJ/（m2·h·°C），拆模后仍取30 kJ/（m2·h·°C）。

4.3 模擬分析

4.3.1 計(jì)算模型一（考慮水池底板與柱）

由圖4.1可見(jiàn)，底板澆筑初期，最大溫度發(fā)生在水池底板上部板與柱子的交接點(diǎn)，最大溫度為40度，最大應(yīng)力發(fā)生在邊緣，考慮到邊界有一定的簡(jiǎn)化，應(yīng)力僅供參考。

4.3.2 計(jì)算模型二（水池底板與0.5m側(cè)壁一次性澆筑）

1.取分析步時(shí)長(zhǎng)為100步，代表100h。

2.模擬結(jié)果分析

圖4.2中綠色部分溫度為水池底板，從圖中可以看出，底板澆筑完成時(shí)，底板表面溫度均在一個(gè)相對(duì)恒定的溫度下，最高溫度為48度，位于板的中心處。

圖4.3左側(cè)為齡期36h時(shí)水池底板內(nèi)溫度平剖圖，圖中褐色部分為48度，主要集中在水池底板中部，黃色部分底下有支承的墻或柱，溫度較低。圖4.3右側(cè)為地下2層墻、柱溫度云圖，從圖中可看出，受到上部水化熱影響的區(qū)域僅為一個(gè)單元格，即1m不到的高度范圍，溫度變化不大，隨著底板的澆筑，其混凝土澆筑的水化熱對(duì)下部支撐的溫度影響越來(lái)越小。

4.3.3 計(jì)算模型三（水池底板與0.5m側(cè)壁一次性澆筑+剩余側(cè)壁一次性澆筑）

1.考慮水池以下的墻、柱，水池底板以及水池側(cè)壁，下部結(jié)構(gòu)與模型二相同，增加了水池周邊8m的墻體。

分析步：第一階段，時(shí)間72h；第二階段，時(shí)間168h，共計(jì)240h。

荷載：水化熱。第一階段，先考慮水池底板加上0.5m高水池側(cè)壁的水化熱，持續(xù)時(shí)間3天（72h）；第二階段，考慮側(cè)壁剩余8m高墻體產(chǎn)生的熱量，上一階段剩余水化熱仍繼續(xù)考慮。

2.模擬結(jié)果分析

由于條件相同，0～72h的結(jié)果，與模型二模擬結(jié)果一致，底板面中心溫度最高，溫度為48度。

剩余側(cè)壁澆筑溫度分析結(jié)果如圖4.5，由圖可見(jiàn)，水池外墻溫度，沿墻厚方向，中心溫度高，表面溫度低；在t=108h時(shí)溫度最高，最高為45度，位于各墻段的拐角處；外墻中間段最高溫度為43度，各墻體段溫度均相近。在墻上沿高度方向選取一墻段為一單元，其溫度云圖如圖4.5右圖所示，紅色代表墻體中心，溫度較高；藍(lán)色部分為墻最上端，溫度最低。

5、ABAQUS模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比分析

1.ABAQUS模型二（水池底板與0.5m側(cè)壁一次性澆筑）

ABAQUS建模模擬水池底板混凝土澆筑時(shí)間溫度曲線和實(shí)測(cè)溫度曲線對(duì)比如圖5.1左，由圖中曲線可見(jiàn)，建模模擬的底板時(shí)間溫度曲線與實(shí)測(cè)時(shí)間溫度曲線吻合較好，大致趨勢(shì)一致?？梢砸罁?jù)此模型對(duì)水池混凝土底板澆筑中溫度變化進(jìn)行較合理的分析。

2.ABAQUS模型三（水池底板與0.5m側(cè)壁一次性澆筑+剩余側(cè)壁一次性澆筑）

ABAQUS建模模擬水池側(cè)壁混凝土澆筑時(shí)間溫度曲線和實(shí)測(cè)溫度曲線對(duì)比如圖5.1右，由圖中曲線可見(jiàn)，建模模擬混凝土?xí)r間溫度曲線與實(shí)測(cè)時(shí)間溫度曲線在初期吻合較好，后期實(shí)測(cè)溫度變化偏大，但大致趨勢(shì)一致。可以依據(jù)此模型對(duì)水池側(cè)壁混凝土澆筑中溫度變化進(jìn)行較合理的分析。

6、結(jié)論

本文以漢秀劇場(chǎng)的水池混凝土澆筑為原型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與ABAQUS有限元建模分析，對(duì)大體積補(bǔ)償收縮混凝土澆筑中的溫度應(yīng)力分布以及溫度隨時(shí)間的變化進(jìn)行了綜合分析。主要結(jié)論如下：

（1）由模擬結(jié)果可知水池底板開(kāi)始澆筑時(shí)，最大溫度發(fā)生在底板與柱子的交接處，隨著水池底板混凝土澆筑，其底板產(chǎn)生的水化熱對(duì)板底下支撐的溫度與應(yīng)力的影響越來(lái)越小。水池側(cè)壁澆筑期間，其側(cè)壁溫度表現(xiàn)為沿墻厚方向，中心溫度高，表面溫度低；

（2）采用ABAQUS軟件分階段模擬了水池混凝土澆筑，以溫度-位移的計(jì)算單元C3D8T建立的有限元模型得到模擬的混凝土澆筑時(shí)間與溫度曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，表明本文采用的材料參數(shù)、水化熱加載方式以及有限元模型具有較好的精度，可為后續(xù)對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土澆筑溫度研究提供依據(jù)。

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（作者單位：1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司設(shè)計(jì)五院）