大体积混凝土温度应力有限元计算数值模拟分析

陈果，杨霞，杨亮

（重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015）

0 引言

随着社会的发展和科技的进步，人们对建筑的要求也在不断提高[1-2]。我国建筑业朝着高大、深厚和结构复杂化的方向不断演进。近年来摩天大楼、跨海大桥、海底隧道等越来越多的大体积混凝土工程不断涌现[3-4]。不同于普通的混凝土工程，大体积混凝土工程是指在工用或民用建筑中，容易由温度收缩应力引起裂缝的结构[5-7]。由于混凝土中水泥水化放热的特性，大体积混凝土结构通常在早期因为温度应力而开裂，影响结构的强度和耐久性，对建筑产生危害[8]。因此，研究大体积混凝土内部的温度场以及温度应力，对深入研究混凝土早期放热行为，深化结构设计和改进施工工艺，提高建筑质量具有重要的科研价值和现实意义[9]。

试验使用数值模拟技术对大体积混凝土内部温度场和温度应力分布进行了研究，对影响混凝土温度应力的因素进行了分析，结合工程实践为工程中控制混凝土温度应力提供了指导。

1 模拟分析步骤

选择FEM法和有限元分析软件ABAQUS对大体积混凝土构件的内部温度场和温度应力分布进行模拟分析。数值模拟分析一般包括模型建立、参数设置、总装求解、数据模拟、结果分析与评价几个过程，具体操作步骤见图1。

图1 大体积混凝土温度应力模拟分析一般过程

2 工程实例模拟研究

2.1 计算对象选取和网格划分

工程模型选择大体积混凝土桩承台构件，以混凝土构件与土壤实体进行建模。混凝土承台构件尺寸为19.2m×4.5m×2.2m，桩长8.0m，土壤尺寸20m×5m×15m。根据具体研究结构模型的对称性，选择结构的1/4对称部分为运算模型，采用八节点热耦合六面体单元划分网格。研究过程包括从浇注混凝土开始至水泥发热结束。由于实际施工采用水管冷却，因此在建模时将其放入（图2）。

图2 三种水管布局下的模型图

2.2 基本参数和实验分组

根据水泥水化热常数表，可以查得普通硅酸盐水泥Qo=330kJ/kg。材料及其热特性值参数如表1所示。

表1 材料参数表

冷却水管通过对流换热的方式冷却承台梁，在计算中直接计算出相应对流换热系数并应用于ABAQUS中来计算散热效果。针对混凝土强度、流速、冷却路径长度、管径、外界气温、桶水温度、流量等工况，进行分组模拟研究。其对流换热系数分别为564w/（m2·k）、710 w/（m2·k）和982 w/（m2·k）。 计算中，土壤底部固定，四周固定法向的位移，并增加恒温293.15K的温度条件，初始温度为293.15K。温度边界面设置的温度条件为293.15K。整个模型施加9.8m/s2重力载荷。

考虑多因素水平设计正交试验，如表2所示。

2.3 结果和分析

2.3.1 数值模拟结果

表2 正交试验表

试验1温度及应力数据模拟，如图3所示。

图3 试验1温度及应力数据模拟图

表3 正交试验结果极差分析表

同样，改变相应参数后运行软件，可以得到其他实验组的温度及应力数据模拟图。

2.3.2 数据分析和讨论

正交试验结果极差分析如表3所示。

通过以上正交试验方案进行多因素多变量数值仿真试验，对试验结果进行处理分析。

（1）冷却水温度

试验研究分析了冷却水温在 0℃、10℃、20℃时混凝土的温度，得到各种情况下的温度应力图。在一定的温度范围内，冷却水温越低，水管和混凝土的温差越大，冷却效果越好。但人工获得低温冷却水费用较高，不易控制水管与混凝土之间的温差，当冷却管对混凝土的温差过大时，会引起预埋冷却管周围的混凝土开裂。因此，当考虑采用降低冷却水温来提高冷却效果时，应慎重。通过正交试验数据分析，冷却水温度R值最大，对大体积混凝土性能影响最大。在实际施工过程中，若混凝土强度处于C50以下，采用较低冷却水温为宜，混凝土强度若高于C50，可适当提高冷却水温度，10℃为宜。

（2）冷却水流量

冷却水在水管内的流动状态可分为层流和紊流，紊流带走的热量要比层流大。冷却水流速较小时，水流以层流状态流动，超过临界速度时，进入紊流状态，因此管内水流速度必须保持足够大。根据实际工程，一般来说水流速取临界流速的3～4倍为宜。

（3） 水管间距

水管间距包括水平间距和竖直间距，研究采用的正交试验，仅分析水平间距的影响。冷却速度是和管距的平方成反比的，管距减小时，冷却速度迅速增加。研究采用3种 间 距 ：1.92m、2.25m 和2.4m，三种间距下的冷却效果均可接受，且冷却效果随间距减小而提高。混凝土体积较大时，冷却水管过于密集会使管材用量急剧增长，提高成本。分析正交试验结果，发现水管间距控制在1～3m左右是合理的。若混凝土强度较高，可适量减小水管间距。

（4） 冷却路径

通过3组短距离冷却路径进行定性分析发现，冷却路径长的冷却效果最好，且冷却路径的R值与冷却水间距R值相近，对混凝土性能的影响比较突出。

为了使流量在各管圈内尽可能均匀分配，应使各管圈的长度大体相近。水管中的水流温度沿程变化：沿水管离进水口越远，水温越高；单根水管越长，水管进口水温与出口水温相差越大。这样在同一浇筑层的混凝土冷却效果不均匀，实际工程中应当引起重视。

（5）混凝土强度等级及大气温度

正交试验方案水平选取中，混凝土等级是C30、C40、C50，大气温选取为15℃及40℃。对比试验结果，混凝土的强度等级和大气温度对其冷却效果影响相对其他因素较小，在没有极端气温的条件下施工，根据国家规范的保温养护标准进行即可。

3 工程实例

重庆某高架车站工程以上述有限元分析模型为基础，建立了大体积混凝土预埋冷却水管内部温度控制体系。工程采用20mm管径钢管，并进行无缝焊接，循环冷却水管沿底板高度方向多层布置，每隔0.8m设置一层循环水管，上下各距顶底面大于0.4m，水流量控制在1.3～1.5m3/h，通水温度10℃。冷却设计达到了实际效果，降低了混凝土开裂风险，保障了施工质量，延长了工程耐久性。

4 结论

（1）本文对大体积混凝土内部温度应力进行了数值模拟分析，确定了影响大体积混凝土温度应力控制的关键因素及其影响程度。

（2）根据分析结果与工程实践经验提出高效预埋冷却水管的大体积混凝土施工参考意见，为类似工程提供有价值的参考，见表4。

表4 大体积混凝土中预埋冷却水管建议表

怎样防治混凝土气泡的产生

在施工中，应重视混凝土的强度，但混凝土气泡同样不容忽视。如果混凝土表面出现大量气泡，将减少钢筋混凝土保护层的有效厚度，加速混凝土表面碳化进程，同时气泡较大也会减小混凝土构件截面面积，影响混凝土强度。

1 气泡的防治

（1）加强与预拌混凝土厂家联系，优化预拌混凝土技术合同，增加单方水泥用量，降低粉煤灰等掺合料用量。

（2）加强模板清理和脱模剂采购质量的控制，同时采用滚刷涂刷均匀，最后采用胶皮刮子将多余脱模剂刮掉，不得存在堆积流淌的现象。

（3）加强劳务分包混凝土班组，尤其是振捣工的交底工作，减少一次浇筑混凝土的厚度，科学合理地控制振捣时间。

2 实施效果

按照以上措施对预拌混凝土、模板清理、脱模剂正确使用、混凝土浇筑振捣等方面严格控制，通过拆模后跟踪检查，混凝土气泡得到了有效控制，做到了“外坚内美”，保证了混凝土观感质量。