某工程超厚混凝土墙体温度场数值模拟与现场监测

岳健男，石聪，王艳，庞二波

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 430074）

某工程超厚混凝土墙体温度场数值模拟与现场监测

岳健男，石聪，王艳，庞二波

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 430074）

本文介绍了武汉某工程，此工程施工以超厚混凝土墙体为研究背景，应用 ANSYS 有限元分析软件，计算了大体积混凝土墙体温度场，并进行了现场监测。结果表明，利用 ANSYS 有限元分析软件，混凝土单元类型选用 solid70，设置合理的边界条件与环境条件，可以指导温度监测点的布设，并将实测结果与数值模拟对比分析，得到温度场分布发展规律。

大体积混凝土；数值模拟；温度场；温度监测

0 引言

大体积混凝土由于水泥水化反应放出大量的热量不能及时散失，导致在浇筑初期出现内部温度远高于表面的现象，高的温差会导致大体积混凝土构件的表面受到很高的拉应力从而产生大量的裂缝[1]；而在降温阶段，地基约束大体积混凝土构件的降温收缩，会造成其中部产生较大的收缩裂缝，甚至是贯穿裂缝。因此，有必要对大体积混凝土进行温度场数值模拟与监测分析。

1 工程概况

武汉某特种混凝土结构的建筑面积约1100m2，长约45m，宽约 25m，墙体高度 7.5m，混凝土设计强度等级为C50，抗渗等级为 P8，墙体最厚处达 4m，一次性浇筑混凝土量约 500m³。

本项目为特种钢筋混凝土结构，对混凝土防裂要求高，防裂面临三大难题：①该工程为特种钢筋混凝土结构，应业主要求，不允许出现任何形式的有害裂缝；②该工程大体积混凝土应用于墙体结构部位，最大厚度 4m，且属于多处截面突变的异形结构，易在截面突变处产生应力集中，从而导致混凝土开裂；③混凝土强度高达 C50，冬季施工浇筑环境温度低，若养护不当，易产生较大的里表温差，从而导致混凝土开裂。

2 温度场数值分析

2.1 配合比与热学参数

混凝土所用原材料为：P·O42.5 水泥，II 级粉煤灰，S95矿粉，5～31.5mm 连续级配石灰岩碎石，岳阳中粗河砂，缓凝型聚羧酸减水剂，仿钢纤维。确定的 C50 配合比见表1。

表1 C50 混凝土配合比 kg/m3

温度场数值计算中所需混凝土的热学参数，主要为混凝土中胶凝材料的水化热、放热速率、混凝土的比热、导热系数、混凝土的初始温度和温度边界条件[2-4]。表2 为 C50 大体积墙体、底板混凝土的热学参数。

表2 墙体、底板混凝土的热学参数

工程混凝土表面与空气对流换热系数按式（1）计算[5]：

式中：v——当地风速，m/s。

计算可知，混凝土顶面对流换热系数取 65kJ/(m2·h·℃)，侧面对流换热系数取 30kJ/(m2·h·℃)。

混凝土的容重为配合比实际容重 2404kg/m3。

2.2 三维有限元模型

利用 ANSYS 软件在进行混凝土温度场计算中，混凝土单元类型选为 solid70 单元，计算模型结合施工浇筑条件，计算在木模板保温条件下混凝土结构的温度场分布规律。由于模型平面形状既有规则的长方形又有弧形面，在对模型进行网格划分时，采用自由网格划分。边界条件设置为，环境大气温度设置为 4℃，混凝土初始温度为 18℃，墙体混凝土顶面与空气对流换热系数按照风速为 3m/s 计算，大体积混凝土墙体底部建立底板模型，底板初始温度设置为同大气温度一致，底板与墙体之间发生热交换，默认底板底面不再向下部土体传热。选取一个跳仓施工段建立模型。模型外轮廓长度21.15m，宽度 15.30m。图 1 为约束、边界条件施加和网格划分后的有限元模型。

图 1 超厚混凝土墙体有限元模型

3 计算结果与分析

图 2 为 72h 计算所得的温度场分布，图 3 为 168h 计算所得的温度场分布。

图 2 72h 温度场分布

图 3 168h 温度场分布

从图 2 和图 3 中可见，在不采取保温措施时，混凝土墙体上表面温度在整体温度场中处于最低温度范围；在不采取保温措施下，72h 时墙体混凝土内部最高温度约为 51℃，168h 时墙体混凝土温度峰值约为 61℃；在 72h 和 168h 时墙体混凝土的里表温差都大于 25℃，必须采取保温措施；墙体混凝土在平面尺寸的边界四周温度低、远离平面四周边界的位置温度高；在竖向分布上，墙体混凝土上表面温度低于靠近下部混凝土的温度，即混凝土温度分布在水平方向的里表温差与在竖直方向的里表温差相比，竖直方向的里表温差较大。

4 现场监测

4.1 监测点布设

布设原则：既能反映混凝土中心最高温度，即半绝热状态的温升规律，又能反映混凝土表面温度变化规律。总体可以反映出混凝土中心与表面混凝土、表面混凝土与环境温度的历时差值变化规律[6]。

具体布设：墙体混凝土截面高度方向分 3 层，上层布点距离顶面混凝土 10cm，中层布点在高度方向 1/2 处，底层布点距离底面混凝土 10cm。考虑结构在角点突变处极易产生应力突变效应，所以在各角点突变处设置温度监测点，并且考虑结构本身的对称性和混凝土等级强度的同一性，可以在角点突变处沿对称轴一侧布设测点。以达到使用最少的温度传感器监测尽可能准确数据的目的。各角点处测温点布设距离混凝土边侧 10cm 位置。依据以上表述，作了温度监测点布设图。图 4 为温度监测点布设图。共 27 个温度监测点。

图 4 温度监测点布设图

4.2 温度监测结果及分析

鉴于温度监测点多，不再逐一提取，仅提取 5#～9# 监测点的中心温度监测结果以及 5#～9# 监测点中心温度与上表面温度差。图 5 为 5#～9# 监测点中心厚度处监测温度，图 6 为5#～9# 监测点中心厚度与上表面温差。

图 5 5#～9# 中心厚度处监测温度

从图 5 中可见，温度监测曲线反映出在同一起测时刻，各测点起测温度差异较大，在入模温度接近的前提下，起测时刻最大温度差近 10℃，这是由于混凝土在早期水化放热速率较快，浇筑持续时间长的混凝土工程各监测点传感器被混凝土覆盖埋入存在时间差异，从而造成在同一起测时刻的监测温度差异；在本次监测区域中，温度监测最高点为 8# 测点，自混凝土浇筑开始约 3d 龄期达到温度最高值约为 64℃，由胶凝材料水化放热引起的最大温升约为 41℃。

图 6 5#～9# 中心厚度与上表面温差

从图 6 中可见，5# 里表温差最大，原因为 5# 监测点中心温度较高，弧形边界处为钢模，边界散热较快，引起里表温差较大。所有监测点的里表温差均小于 25℃，对防止大体积混凝土墙体温度裂缝的产生有利。

5 结论

（1）对大体积混凝土结构温度场数值分析中，混凝土采用 solid70 单元，对水泥水化热折减，侧面和顶面采用对流换热系数，可以较好地计算大体积混凝土墙体的温度场分布。

（2）墙体混凝土温度在监测时间段内，中心温度先上升后下降，温升速率快，温降速率慢。温度监测表明混凝土墙体中心温度在 3d 龄期达到温峰，8# 测点为温度监测最高点，3d 龄期温度约为 64℃，温升 41℃；各监测点的里表温差均控制在 25℃ 内，有利于混凝土防止温度裂缝的出现。

（3）采用有限元计算温度场可对温度监测点的布设起到指导作用。实际监测温度发展规律与有限元计算规律吻合度较高，尤其是中心温度发展规律、最高温度及最高温度出现的时间与实测结果非常接近。

[1] 彭立海，阎士勤等．大体积混凝土温控与防裂[M]．郑州:黄河水利出版社，2005．

[2] Breugel．Prediction of Temperature Developmentin Hardening Concrete．Avoidance of Thermal Cracking in Concrete at Early Ages．1998(3):51-75．

[3] Abdallah I，Husein Malkawi，Saad A. Mutasher and Tony J. Qiu。Thermal-Structural Modeling and Temperature Control of Roller Compacted Concrete Gravity Dam. Journal of performance of constructed facilities．2003(11):177-187．

[4] 杨秋玲，马可栓．大体及混凝土水泥化热温度场三维有限元分析[J].哈尔滨工业大学学报，2004(36):261-263.

[5] 朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制[M]．北京:中国电力出版社，1999．

[6] 霍凯成．巴东长江大桥承台大体积混凝土温度控制[J]．岩土力学，2002,23(10): 238-239.

［通讯地址］中建商品混凝土有限公司湖北武汉站（276000）

Numerical simulation and monitoring of medical radiation protection concrete wall temperature fi eld

Yue Jiannan, Shi Cong,Wang Yan, Pang Erbo
( China Construction Ready Mixed Concrete CO., Ltd, Wuhan Hubei 430074 )

This paper investigated the calculation of mass concrete wall temperature field by ANSYS and compared the results with measured results, based on radiation protection mass concrete wall of medical linear accelerator in Wuhan Union Hospital.The solid70 was selected as the concrete element and reasonable boundary conditions and environmental conditions were set in the analysis of ANSYS. The results shows that temperature fi eld distribution and development law obtained through numerical simulation analysis are consistent with measured results,which can help set up the temperature monitoring points.

massive concrete; numerical simulation; temperature fi eld; temperature monitoring

岳健男，男，技术总工，工程师，主要从事商品混凝土技术工作。