大体积混凝土温度场及温度应力的有限元分析

2012-10-29王汪阳

天津城建大学学报 2012年4期

杨杰，毛毳，侯霞，王汪阳

(天津城市建设学院土木工程学院，天津 300384)

大体积混凝土浇筑后，在内部水化热和外部环境温度的影响下，其内部温度与外界气温相差很大，极易使混凝土产生温度裂缝，影响结构的安全与正常使用.因此，有必要对大体积混凝土浇筑和养护过程中的温度场及温度应力进行分析，为控制温度裂缝提供依据.

笔者采用有限元方法，运用ANSYS热分析模块，结合华中科技大学协和医院外科医疗大楼智能化超高层建筑主楼筏板浇筑实例[1]，建立有限元模型，确定模型材料参数，对主楼筏板浇筑过程进行了模拟，并将温度场计算结果作为荷载施加于模型，计算了混凝土温度应力.在此基础上，对不同水泥标号、不同浇筑温度及不同环境因素对大体积混凝土温度场及应力场的影响进行了分析.

1 大体积混凝土计算模型的建立

1.1 模型及材料参数

以文献[1]中的工程实例为基础建立有限元模型，尺寸为 80 m×36.1 m×2.5 m，混凝土下层为地基，尺寸为 120 m×80 m×5 m.主楼筏板大体积混凝土选用亚东P.O42.5级水泥，28 d抗压强度为51.0 MPa.设计配合比如表1所示.

表1 主楼筏板大体积混凝土配合比 k g· m-3

根据文献[1]提供的混凝土配合比以及施工期间的具体情况，选取模型材料参数如表2所示.

表2 主要材料参数选取

1.2 单元选择及有限元模型的建立

模型采用 SOLID70单元用于三维瞬态传热分析，该单元具有“单元生死”功能，可根据工序实现浇筑混凝土的动态模拟[2].此外，该单元可转化为SOLID65结构单元，方便后续的应力分析[3].

依据结构和荷载的对称性，采用1/4模型进行模拟.上层混凝土与下层基础连接处采用共节点耦合温度自由度来模拟触面上温度协同变化.所建有限元模型如图1所示.

图1 有限元计算模型

1.3 初始条件的施加

主楼筏板混凝土浇筑时间在 11月中旬.选取12 ℃作为地基温度初始条件施加于其节点上；混凝土入模温度控制在30 ℃左右，以30 ℃作为其温度初始条件施加于节点.

1.4 边界条件的施加

(1) 在大体积混凝土浇筑过程模拟中，与空气接触的表面采用第三类边界条件[4]，假设通过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度T和大气温度Tα的差值成正比，即

(2) 地基四周与底面假设为绝热边界条件.

(3) 混凝土对称面采用绝热边界条件.

1.5 水化热的施加

在ANSYS中，水泥水化热是通过生热率HGEN来施加.生热率即单位时间内混凝土的生热量，所以需要对水化热函数求导[4]

式中：Q0为混凝土最终水化热，由混凝土配合比计算得出；a、b是和水泥品种相关的水化热常数，查表可知，a＝0.69，b＝0.56.

2 模拟结果及分析

2.1 温度场模拟结果

主楼筏板大体积混凝土浇筑温度场，12 d后温度场如图2所示.

图2 主楼筏板浇筑12 d后的温度场

混凝土中心沿板厚度方向 4个测温点的位置如图3所示.

图3 沿混凝土竖向测温点布置

计算温度与实测温度的对比曲线如图4所示.

图4 计算温度与实测温度对比曲线

由图4可以看出：①最高温度出现在c测温点，靠近中间层，为65.6587 ℃，与实测最高温度70 ℃很接近，表明采用此方法可以较好地模拟混凝土温度的峰值；②模拟的温度变化趋势与实测相近，即在浇筑初期温度急剧上升，温度达到峰值后在养护期间缓慢下降.结果表明，利用ANSYS模拟温度场是可行的，模拟结果可以用来模拟温度应力场，并为工程实际提供参考.

2.2 温度应力的模拟

考虑到混凝土材料的非线性，使用Von Mises屈服准则，并采用多线性随动强化选项确定混凝土的非线性本构关系.将混凝土养护 28 d时的温度场计算结果作为荷载施加于计算模型，计算温度应力，结果如图5所示.

图5 混凝土养护28 d时第一主应力分布

从计算结果可以看出，混凝土中心为压应力，表面为拉应力，最大拉应力为0.700 MPa，与文献[1]计算结果0.874 MPa相近且小于 C40混凝土的抗拉设计值 .

承台中心表面和承台与地基接触边缘拉应力最大.前者因承台中心水化热温度最高，引起混凝土膨胀，使其表面产生较大的拉应力；后者因地基与混凝土温差较大(地基温度为12 ℃)，产生较大的拉应力；这表明温差是影响温度应力的关键因素.在此边缘选取四个距中心不同距离的路径，路径上的节点沿板厚方向的第一主应力大小如图6所示.

图6 距中心不同距离沿板厚方向第一主应力的变化

从图6可以看出，在距中心10 m处拉应力最大，比较危险，是分析的重点.

3 部分影响因素的分析

3.1 不同水泥品种的影响

水泥品种是影响混凝土水化热的重要因素.选取了四种不同标号的水泥，根据表 3[6]提供的水化热常数，在其他条件不变的情况下，计算温度场和温度应力.读取浇筑后每天的最高温度，不同水泥标号的最高温度历时曲线如图7所示.

表3 不同水泥品种的水化热常数

图7 使用不同标号水泥时结构最高温度历时曲线

从图7可以看出，水泥标号不同，不仅能影响浇筑及养护时的最高温度，而且会改变温度峰值出现的时间.与普通硅酸盐425号水泥相比，普通硅酸盐大坝水泥525号温度峰值较小，相同养护条件下温度下降也较快，28 d时能达到比较低的温度；普通硅酸盐水泥 525号温度峰值最高，但推迟了峰值出现的时间，养护期间温度下降较慢；而矿渣硅酸盐大坝水泥425号温度峰值最低，反应期间水化热上升速度也较慢，峰值出现时间也比较靠后，但养护 28 d后与普通硅酸盐425号水泥达到的温度相同.

由前面可知，长边边缘距混凝土中心10 m处出现较大的拉应力，比较危险.选取不同水泥品种时，此处沿板厚方向的由表面到底部的路径，查看其第一主应力，结果如图8所示.

图8 长边边缘距混凝土中心10 m处拉应力变化

由图8可知：使用普通硅酸盐水泥525号时，此处拉应力最大；普通硅酸盐水泥425号和矿渣硅酸盐大坝水泥425号次之，且两者比较接近；普通硅酸盐大坝水泥525号最小.说明温度水化热上升缓慢，峰值较小时，结构拉应力相应也较小.

3.2 浇筑温度的影响

通过冷水搅拌、加冰搅拌、加快浇筑速度等方式，都可以控制混凝土的浇筑温度.在环境温度为22.7 ℃，相同养护条件下，模拟不同浇筑温度时混凝土温度场，并计算温度应力.不同浇筑温度时最高温度历时曲线如图9所示，最大拉应力随浇筑温度的变化如图10所示.

图9 浇筑温度不同时结构最高温度历时曲线

由图9和图10可以看出：混凝土的温度与浇筑温度呈正相关关系，峰值升高幅度比初温升高的幅度略大；相同养护条件下，温度下降速度大致相同；混凝土结构的最大拉应力与浇筑温度的关系几乎为线性关系，说明混凝土入模时的温度是影响温度应力的关键因素之一，施工时应特别注意控制混凝土的初温.

图10 结构最大拉应力随浇筑温度变化曲线

3.3 环境温度的影响

环境温度不同，混凝土结构表面与外界的温差就不同，直接影响混凝土的温度场和温度应力.取浇筑温度为 20 ℃，其他条件均相同，模拟不同环境温度下混凝土温度场和温度应力，得出不同环境温度下最高温度历时曲线，如图11所示.

图11 环境温度不同时结构最高温度历时曲线

由图11可知：环境温度越高，混凝土温度峰值也越高；环境温度的影响主要体现在养护阶段，浇筑期间的影响不大，养护期间温度下降速度大致相同；随着环境温度的降低，混凝土养护 28 d后达到的温度也越低，且环境温度越低时，最终温度降低的幅度也越小.

将 28 d时的温度场结果作为温度荷载施加于混凝土结构，计算温度应力，最大拉应力随环境温度变化如图12所示.

从图12可以看出，随着环境温度的升高，混凝土结构最大拉应力呈现先下降后上升的趋势.说明此时混凝土表面与外界的温差成为影响温度应力的主要因素.温差越大，最大拉应力越大，越有可能出现温度裂缝，且低温比高温时拉应力大，表明严寒时期更要注意控制内外温差.但并不是外界温度与浇筑温度(20 ℃)相同时最大拉应力最小，而是外界温度比浇筑温度略低时，结构最大拉应力最小.