基于气象数据与不同工况的底板温度数值模拟分析*

2022-03-23张同波李翠翠许卫晓张庆浩

施工技术(中英文) 2022年3期

仉震，张同波，李翠翠，叶林，许卫晓，张庆浩

(1.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033； 2.青建集团股份公司，山东青岛 266071)

0 引言

超长混凝土结构温度应力与结构温度变化和外界约束情况有关，因此，无缝施工技术的关键在于解决温差和约束问题。目前，已有学者对超长混凝土结构约束问题进行了研究，但对温差问题的研究相对较少，且多数研究主要侧重于内部因素，即混凝土配合比、水泥细度、水泥放热量等，忽略了外界环境温度变化对结构温度的影响。这是因为环境温度变化较复杂，分析困难，且相对于内部因素，环境温度变化对超长结构的影响较小，使超长混凝土结构温度变化分析不全面、温度应力计算结果不准确，导致实际温度应力过大，引起结构开裂。本文对超长混凝土底板温度受环境温度影响的规律进行研究，提出基于环境温度研究超长混凝土底板温度的数值模拟分析方法。

1 试验概况

试验选取了5个工程8个测点的温度数据，如表1所示。其中，在青岛炉房幼儿园工程C区进行了450mm厚底板温度监测试验，C区长38.6m、宽17.7m，面积为683m2，上、下排钢筋为φ16@200，采用平板式筏板，基础持力层为花岗岩强风化带，底板混凝土强度等级为C30。在底板内部竖直方向布置1个测点，为1号测点，距下表面0.225m。2号测点为小环境温度测点，3号测点为大环境温度测点。大环境温度为现场采集的项目部外测点的监测温度，小环境温度为底板试验位置监测的温度。底板测点位置如图1所示，分析环境温差时利用表1所示试验现场大、小环境温度监测数据。

表1 底板温度监测试验情况

图1 底板测点位置

表3 顶板模架搭设完成至混凝土浇筑前环境温差 ℃

表4 顶板混凝土浇筑完成至地下室封闭前环境温差 ℃

2 地下结构在不同工况下的环境温差分析

地下室内的小环境温度随着外界大环境温度的变化而变化，但随着施工的进行，小环境温度变化幅度逐渐小于大环境温度，这说明施工工况的改变可影响小环境温度。大环境最高温度略高于正常值，应为设备受阳光照射影响，因此选取距各试验项目最近的气象站数据替换大环境温度，可较准确地找出大环境与小环境温度之间的关系。大、小环境温度取2:00，8:00，14:00，20:00的气象温度平均值，比值为小环境温差与大环境温差之比，部分试验结果如表2～5所示。

表2 顶板模架搭设前环境温差 ℃

由表2～5可知，模板搭设前，地下结构小环境温差高于大环境温差，随着模板搭设工序的进行，封闭性越来越好，小环境温差逐渐小于大环境温差，比值逐渐降低；上部顶板结构混凝土浇筑后，温差比值明显小于浇筑前，施工现场封闭情况较好的试验工程得到的温差比值较小，可知封闭情况对温差比值的影响明显。

所有试验工程不同工况下大、小环境温差比值分布如图2所示。由图2可得到不同工况下地下室内小环境温差取值系数，如表6所示。顶板模架搭设后至混凝土浇筑前，随着模板搭设程度的增加，小环境温差取值越来越小；顶板混凝土浇筑完成至地下室封闭前，随着封闭程度的增加，小环境温差取值越来越小；地下室封闭后，距地下室出入口的距离越小，小环境温差取值越大。地下结构小环境温差在顶板模架搭设后的工序中小于大环境温差。依据小环境温差系数和当地气象温度、各工况时间取值，结合实际工程工期计划，可推算出地下结构小环境温度曲线。

表5 地下室封闭完成环境温差 ℃

图2 不同工况下大、小环境温差比值分布

表6 不同工况下地下室内小环境温差取值系数

3 基于当地气象温度的有限元模拟分析

3.1 模拟分析步骤

1)调阅并计算关注时间段内的当地平均气象温度曲线。

2)根据工况及温差比值计算小环境平均温度曲线，作为底板温度模拟分析的输入环境温度。

3)建立底板和地基一体化有限元数值模型(见图3)。地基土厚度一般取5m，温度赋值需根据当地地温资料确定。

图3 有限元模型

4)定义模型材料导热系数。

5)定义模型水化热参数。根据公式，计算胶凝材料水化热总量、不同掺量掺合料水化热调整系数、水化热系数。

6)运行模型，提取计算结果(见图4)。

图4 温度场分布云图(单位：℃)

3.2 结果分析

为准确得到底板结构温差数据，从而精确计算底板温度应力，提出基于气象数据和不同工况的底板结构温差计算方法。

由数值模拟结果可知，将实测小环境温度数据作为温度荷载施加在模型表面可较好地模拟底板温度变化情况。根据气象平均温度和小环境平均温度比值，如果分别使用实测小环境平均温度与实测小环境温度作为温度荷载的模拟结果吻合程度较好，可先计算气象平均温度，再计算小环境平均温度，最后将小环境平均温度作为温度荷载，通过数值模拟的方法得到底板温度变化情况。

将实测小环境温度数值模拟结果记为模拟1，将实测小环境平均温度数值模拟结果记为模拟2，将数值模拟求得的底板温度记为模拟3，将测点1温度记为试验温度，对比曲线如图5所示，部分数据如表7所示。

图5 温度曲线对比

表7 测温数据对比 ℃

由图5可知，温度曲线变化趋势和波动幅度基本相同，试验温度曲线和模拟2温度曲线吻合程度较好，说明可利用小环境平均温度作为温度荷载模拟底板温度变化情况。由表7可知，模拟3与试验温度相比，第7天温度相差较大，为2.2℃，之后温度接近，大部分时间点温度相差在1℃之内，可知模拟3的方法可行。

3.3 案例分析

以北京地区为例，对基于当地气象温度计算底板温度计算方法进行说明。假设某工程底板厚450mm，浇筑完成后第3天开始模板支架的搭设，第15天模板支架搭设完成并浇筑混凝土，第50天地下室全部完成，利用ANSYS软件计算自底板浇筑完成后100d内温度变化情况。取2020年1月1日—2020年4月9日北京地区气象平均温度，不同工况下地下室内小环境温差取值系数取1.3。顶板模架搭设前温差比值为1.20，顶板模架搭设完成至混凝土浇筑前温差比值为0.80，顶板混凝土浇筑完成至地下室封闭前温差比值为0.60，地下室封闭完成温差比值为0.40。气象平均温度曲线如图6所示，计算得到小环境平均温度曲线如图7所示，模拟结果如图8所示。