基于氣象數(shù)據(jù)與不同工況的底板溫度數(shù)值模擬分析*

仉 震，張同波，李翠翠，葉 林，許衛(wèi)曉，張慶浩

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033； 2.青建集團(tuán)股份公司，山東 青島 266071)

0 引言

超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力與結(jié)構(gòu)溫度變化和外界約束情況有關(guān)，因此，無縫施工技術(shù)的關(guān)鍵在于解決溫差和約束問題。目前，已有學(xué)者對(duì)超長混凝土結(jié)構(gòu)約束問題進(jìn)行了研究，但對(duì)溫差問題的研究相對(duì)較少，且多數(shù)研究主要側(cè)重于內(nèi)部因素，即混凝土配合比、水泥細(xì)度、水泥放熱量等，忽略了外界環(huán)境溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)溫度的影響。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度變化較復(fù)雜，分析困難，且相對(duì)于內(nèi)部因素，環(huán)境溫度變化對(duì)超長結(jié)構(gòu)的影響較小，使超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度變化分析不全面、溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，導(dǎo)致實(shí)際溫度應(yīng)力過大，引起結(jié)構(gòu)開裂。本文對(duì)超長混凝土底板溫度受環(huán)境溫度影響的規(guī)律進(jìn)行研究，提出基于環(huán)境溫度研究超長混凝土底板溫度的數(shù)值模擬分析方法。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)選取了5個(gè)工程8個(gè)測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，如表1所示。其中，在青島爐房幼兒園工程C區(qū)進(jìn)行了450mm厚底板溫度監(jiān)測試驗(yàn)，C區(qū)長38.6m、寬17.7m，面積為683m2，上、下排鋼筋為φ16@200，采用平板式筏板，基礎(chǔ)持力層為花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶，底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。在底板內(nèi)部豎直方向布置1個(gè)測點(diǎn)，為1號(hào)測點(diǎn)，距下表面0.225m。2號(hào)測點(diǎn)為小環(huán)境溫度測點(diǎn)，3號(hào)測點(diǎn)為大環(huán)境溫度測點(diǎn)。大環(huán)境溫度為現(xiàn)場采集的項(xiàng)目部外測點(diǎn)的監(jiān)測溫度，小環(huán)境溫度為底板試驗(yàn)位置監(jiān)測的溫度。底板測點(diǎn)位置如圖1所示，分析環(huán)境溫差時(shí)利用表1所示試驗(yàn)現(xiàn)場大、小環(huán)境溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表1 底板溫度監(jiān)測試驗(yàn)情況

圖1 底板測點(diǎn)位置

表3 頂板模架搭設(shè)完成至混凝土澆筑前環(huán)境溫差 ℃

表4 頂板混凝土澆筑完成至地下室封閉前環(huán)境溫差 ℃

2 地下結(jié)構(gòu)在不同工況下的環(huán)境溫差分析

地下室內(nèi)的小環(huán)境溫度隨著外界大環(huán)境溫度的變化而變化，但隨著施工的進(jìn)行，小環(huán)境溫度變化幅度逐漸小于大環(huán)境溫度，這說明施工工況的改變可影響小環(huán)境溫度。大環(huán)境最高溫度略高于正常值，應(yīng)為設(shè)備受陽光照射影響，因此選取距各試驗(yàn)項(xiàng)目最近的氣象站數(shù)據(jù)替換大環(huán)境溫度，可較準(zhǔn)確地找出大環(huán)境與小環(huán)境溫度之間的關(guān)系。大、小環(huán)境溫度取2:00，8:00，14:00，20:00的氣象溫度平均值，比值為小環(huán)境溫差與大環(huán)境溫差之比，部分試驗(yàn)結(jié)果如表2～5所示。

表2 頂板模架搭設(shè)前環(huán)境溫差 ℃

由表2～5可知，模板搭設(shè)前，地下結(jié)構(gòu)小環(huán)境溫差高于大環(huán)境溫差，隨著模板搭設(shè)工序的進(jìn)行，封閉性越來越好，小環(huán)境溫差逐漸小于大環(huán)境溫差，比值逐漸降低；上部頂板結(jié)構(gòu)混凝土澆筑后，溫差比值明顯小于澆筑前，施工現(xiàn)場封閉情況較好的試驗(yàn)工程得到的溫差比值較小，可知封閉情況對(duì)溫差比值的影響明顯。

所有試驗(yàn)工程不同工況下大、小環(huán)境溫差比值分布如圖2所示。由圖2可得到不同工況下地下室內(nèi)小環(huán)境溫差取值系數(shù)，如表6所示。頂板模架搭設(shè)后至混凝土澆筑前，隨著模板搭設(shè)程度的增加，小環(huán)境溫差取值越來越??；頂板混凝土澆筑完成至地下室封閉前，隨著封閉程度的增加，小環(huán)境溫差取值越來越小；地下室封閉后，距地下室出入口的距離越小，小環(huán)境溫差取值越大。地下結(jié)構(gòu)小環(huán)境溫差在頂板模架搭設(shè)后的工序中小于大環(huán)境溫差。依據(jù)小環(huán)境溫差系數(shù)和當(dāng)?shù)貧庀鬁囟取⒏鞴r時(shí)間取值，結(jié)合實(shí)際工程工期計(jì)劃，可推算出地下結(jié)構(gòu)小環(huán)境溫度曲線。

表5 地下室封閉完成環(huán)境溫差 ℃

圖2 不同工況下大、小環(huán)境溫差比值分布

表6 不同工況下地下室內(nèi)小環(huán)境溫差取值系數(shù)

3 基于當(dāng)?shù)貧庀鬁囟鹊挠邢拊M分析

3.1 模擬分析步驟

1)調(diào)閱并計(jì)算關(guān)注時(shí)間段內(nèi)的當(dāng)?shù)仄骄鶜庀鬁囟惹€。

2)根據(jù)工況及溫差比值計(jì)算小環(huán)境平均溫度曲線，作為底板溫度模擬分析的輸入環(huán)境溫度。

3)建立底板和地基一體化有限元數(shù)值模型(見圖3)。地基土厚度一般取5m，溫度賦值需根據(jù)當(dāng)?shù)氐販刭Y料確定。

圖3 有限元模型

4)定義模型材料導(dǎo)熱系數(shù)。

5)定義模型水化熱參數(shù)。根據(jù)公式，計(jì)算膠凝材料水化熱總量、不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)、水化熱系數(shù)。

6)運(yùn)行模型，提取計(jì)算結(jié)果(見圖4)。

圖4 溫度場分布云圖(單位：℃)

3.2 結(jié)果分析

為準(zhǔn)確得到底板結(jié)構(gòu)溫差數(shù)據(jù)，從而精確計(jì)算底板溫度應(yīng)力，提出基于氣象數(shù)據(jù)和不同工況的底板結(jié)構(gòu)溫差計(jì)算方法。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，將實(shí)測小環(huán)境溫度數(shù)據(jù)作為溫度荷載施加在模型表面可較好地模擬底板溫度變化情況。根據(jù)氣象平均溫度和小環(huán)境平均溫度比值，如果分別使用實(shí)測小環(huán)境平均溫度與實(shí)測小環(huán)境溫度作為溫度荷載的模擬結(jié)果吻合程度較好，可先計(jì)算氣象平均溫度，再計(jì)算小環(huán)境平均溫度，最后將小環(huán)境平均溫度作為溫度荷載，通過數(shù)值模擬的方法得到底板溫度變化情況。

將實(shí)測小環(huán)境溫度數(shù)值模擬結(jié)果記為模擬1，將實(shí)測小環(huán)境平均溫度數(shù)值模擬結(jié)果記為模擬2，將數(shù)值模擬求得的底板溫度記為模擬3，將測點(diǎn)1溫度記為試驗(yàn)溫度，對(duì)比曲線如圖5所示，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表7所示。

圖5 溫度曲線對(duì)比

表7 測溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比 ℃

由圖5可知，溫度曲線變化趨勢(shì)和波動(dòng)幅度基本相同，試驗(yàn)溫度曲線和模擬2溫度曲線吻合程度較好，說明可利用小環(huán)境平均溫度作為溫度荷載模擬底板溫度變化情況。由表7可知，模擬3與試驗(yàn)溫度相比，第7天溫度相差較大，為2.2℃，之后溫度接近，大部分時(shí)間點(diǎn)溫度相差在1℃之內(nèi)，可知模擬3的方法可行。

3.3 案例分析

以北京地區(qū)為例，對(duì)基于當(dāng)?shù)貧庀鬁囟扔?jì)算底板溫度計(jì)算方法進(jìn)行說明。假設(shè)某工程底板厚450mm，澆筑完成后第3天開始模板支架的搭設(shè)，第15天模板支架搭設(shè)完成并澆筑混凝土，第50天地下室全部完成，利用ANSYS軟件計(jì)算自底板澆筑完成后100d內(nèi)溫度變化情況。取2020年1月1日—2020年4月9日北京地區(qū)氣象平均溫度，不同工況下地下室內(nèi)小環(huán)境溫差取值系數(shù)取1.3。頂板模架搭設(shè)前溫差比值為1.20，頂板模架搭設(shè)完成至混凝土澆筑前溫差比值為0.80，頂板混凝土澆筑完成至地下室封閉前溫差比值為0.60，地下室封閉完成溫差比值為0.40。氣象平均溫度曲線如圖6所示，計(jì)算得到小環(huán)境平均溫度曲線如圖7所示，模擬結(jié)果如圖8所示。

圖6 大環(huán)境溫度曲線

圖7 小環(huán)境溫度曲線

圖8 模擬結(jié)果

4 結(jié)語

1)地下結(jié)構(gòu)小環(huán)境溫差在頂板模架搭設(shè)后的工序中小于大環(huán)境溫差。

2)依據(jù)小環(huán)境溫差系數(shù)和當(dāng)?shù)貧庀鬁囟取⒏鞴r時(shí)間取值，結(jié)合實(shí)際工程工期計(jì)劃，可推算出地下結(jié)構(gòu)小環(huán)境溫度曲線。

3)提出基于當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)與不同工況的底板溫度數(shù)值模擬分析方法，即依據(jù)平均氣象溫度、不同工況及小環(huán)境與大環(huán)境溫差比值計(jì)算小環(huán)境平均溫度，以此進(jìn)行底板溫度數(shù)值模擬分析，得到底板溫度曲線。