高层建筑底板混凝土温度场分析

2011-08-23杨长森

科学之友 2011年20期

杨长森

（青海新高度房地产投资有限公司，青海西宁 810000）

在高层建筑中出现大体积混凝土结构的部位主要是基础底板。这种底板的面积较大，厚度也在80 cm以上，最厚处可达5～6 m。基础底板浇筑后，在内部水化热和外部环境温度变化的影响下，混凝土结构各处温度时时发生变化，其内部最高温度将达到50～80 ℃，与外界气温相差很大。如果不采取一定的措施，混凝土很容易开裂，影响结构的整体性并造成地下水渗漏，进一步影响结构的耐久性，给整个工程带来极其严重的危害。

混凝土热分析不仅是预测混凝土温度变化的必要方法，同时也是计算混凝土温度应力的前提条件。由于早期混凝土各项热性能都时时发生变化，同时环境等因素也时时在变化，因此，混凝土早期热分析是一个较为复杂的问题。ANSYS软件虽具有专门的热分析模块，适用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热量获取或损失、温度梯度、热流密度等，但当运用在混凝土早期热分析这一特定问题时，尚需开展一定的研究。［1］

1 软件二次开发

ANSYS热分析基于能量守恒原理和热平衡方程，通过施加温度、热流率、热流密度、对流、辐射、绝热和生热等边界条件和初始条件，求解即可得到节点的温度、温度梯度、热流率等结果。

ANSYS热分析过程可分为3个步骤，前处理（建模）、加载求解（施加荷载并计算）和后处理（查看结果）。在建模阶段，主要工作为定义单元类型并设置关键选项，定义单元实常数，定义材料热性能，建立几何模型，对几何模型划分网格。在加载求解阶段，主要工作为定义分析类型，获得瞬态热。

分析的初始条件，设定荷载步选项和存盘求解。在后处理阶段，主要工作为查看计算结果，ANSYS提供了通用后处理（POST1）和时间后处理（POST26）两种。在POST1模块中，可以对整个模型在某一荷载步的结果进行后处理，对结果进行彩色云图显示、矢量图显示、打印列表等，如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上，ANSYS会进行线性插值。在POST26模块中，可以绘制计算结果随时间变化的曲线。

混凝土早期热分析施加荷载常用命令见表 1，其中施加生热量较为复杂。早期混凝土由于水化反应产生大量水化热，在ANSYS中模拟混凝土早期温度场时，水化热量作为荷载输入，由于每个时刻产生的热量不同，因此首先要将不同时刻的生热量做成数组，在bf命令中使用%tabname%（tabname为数组名）施加随时间变化的生热量。另外，还可以采用 UPFs进行二次开发，修改Usrefl.F程序（主要参数见表2）。Usrefl.F程序可用于标量场（温度、生热量、湿度等）荷载的修改和施加，该程序中的key参数用于确定具体修改哪个物理量，当key＝3时，输入的物理量为放热量，将其写成荷载步的函数，在每一个迭代步中都会调用该子程序，从而施加水化热量。［2］

表1 热分析施加荷载常用命令

表2 USREFL.F参数说明

为了验证 ANSYS有限元计算结果的正确性，选取了有理论解的算例与有限元计算结果进行对比。［3］

算例：处于绝热温升状态立方体混凝土块尺寸为10 m×10 m×10 m，初始温度为150 ℃，混凝土的绝热温升方程为θ＝30（1－e－0.34τ），其中龄期τ单位为 d，导温系数α＝0.004 m2/h，导热系数λ＝10.76 kJ/（m·h·℃），比热 c＝1.00 kJ/（kg·℃）。ANSYS求解所得结果见图1，两种计算结果比较见表3。从计算结果看，ANSYS的计算结果与理论值基本相同。

表3 理论解与ANSYS解比较

2 实例分析

两幢12层和26层高的办公楼，设有一个单层地下停车场，总建筑面积约为46 056 m2，地下室底板平均厚度2.5 m，电梯井处最厚达 3.6 m，属典型大体积混凝土结构；地下室侧墙厚400 mm，高6 m，周长400多m，属典型超长薄壁结构。根据大体积混凝土浇筑方案和某商品混凝土公司提供的配合比情况，按施工计划地下室基底板共设三条后浇带，A楼深基础及B1－B4，BE－BF部位大底板，自然分成5个区域，根据区域顺序先后及基底施工顺序，先深后浅、逐渐按划分区域展开分别浇筑硷。其中5号区域底板最厚，达3.4 m。第1区域混凝土分两次浇筑，第一次浇1.6 m，第二次浇1.8 m，两次间隔时间约4 d。采用ANSYS进行有限元分析。首先建立有限元模型见图2，有限元分析结果与实测结果比较见图3～图5，从图分析，除混凝土表面温度用环境影响变化比较突然外，其他各点有限元分析结果与测试结构基本一致。

图2 底板有限元模型

3 结束语

ANSYS软件是国际著名的通用有限元软件，是第一个通过ISO 9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。ANSYS虽然通用性很强，但是在计算早期混凝土结构温度场、温度应力场这一特定问题时略显不足，［4］不能直接求解，需要人为地编程干预并进行开发。基于ANSYS的二次开发功能，编写适用于混凝土早期温度计算的模块，充分利用 ANSYS的前后处理功能，减少软件开发的工程量，模拟混凝土早期温度变化过程，对大体积混凝土温度控制具有重要的意义。