大体积混凝土温度场仿真分析与监测.pdf

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1、大体积混凝土温度场仿真分析与监测■赵安华【摘要】以某斜拉桥主塔塔座大体积混凝土施工为背景，采用有限元软件MIDAS／CIVIL对结构进行了温度场仿真分析，并根据理论计算结果制定了相应温度监控方案。通过现场实测数据与有限元仿真计算结果对比分析，总结了大体积混凝土结构施工过程中结构内部温度场的一般变化规律，并对结构的里表温差随混凝土龄期的发展趋势进行了研究，结果表明，有限元分析能够较好地模拟实际结构的温度场，同时也验证了根据有限元分析制定的温度监控方案的有效性。【关键词】大体积混凝土温度场有限元水化热大体积混凝土在浇筑后内部温度场往往比较复杂，往往会产生较大的拉应力而导致

2、裂缝。为保证混凝土施工质量，必须充分掌握其温度场的变化规律，采取有效措施以控制施工过程中结构内表温差，有效防止有害温度裂缝产生。一、工程概况郁江特大桥为双塔双索面钢桁梁斜拉桥，孔跨布置为(36+96+228+96+36)m，总长492m。主塔塔高为102．5m，基础为20根(P2．5m钻孔桩，塔座与承台均为实体钢筋混凝土，塔座为变截面柱体，最大平面尺寸为29．5m×18．5m，厚度为3．5Ill，混凝土为C50；承台平面尺寸为38in×24．8m，厚5m，混凝土为C40。二、有限元分析1．有限元模型塔座采用一次性推移式浇筑，浇筑完毕后在顶面铺设保温层，内部埋设两层冷却

3、水管以降低结构内部温度，模板采用厚10唧的钢模。分析时考虑先浇筑完的承台混凝土对塔座温度场的影响。塔座与承台混凝土热性能参数：密度2405kg／m3，比热为0．924kJ／(kg·℃)，导热系数为8．723kJ／(m·h·℃)，导温系数为0．00385m2／h。采用MIDAS／CIVIL对结构进行实体建模分析，结构建模包括承台和塔座两部分。由于结构具有对称性，故取I／4进行建模分析，主要采用八节点六面体单元，划分单元时考虑冷却水管、测点的位置及计算的精度等因素。整个模型共计20704个节点，18478个单元。承台底部节点约束为固结，在对称面上施加对称约束。结构有限元模

4、型如图1所示。2．边界条件模拟及相关参数定义根据文献[1]，混凝土表面与周围介质之间温度相互作用规律第一类：混凝土的表面温度T是时间己知函数，即r(r)=f(r)。第三类：当混凝土与空气接触时，经过混凝土表面的热流量为-一z嚣。假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度T和气温T。之差成正比，即一1杀2fl(T一￡)，其中∥为表面放热系数kJ／(m2·h·℃)。本项目温度不随时间变化，按第一类边界条件处理，取固定温度为25℃。其余边界上均存在混凝土与流体热对流按第三类边界条件处理，对流边界条件以面荷载施加于实体单元的表面，通过定义环境温度函数和对流系数函数来模拟混凝土

5、与流体之间的热交换。本模型将外界环境温度简化为恒定温度场，取值为钢围堰内大气的日平均气温31℃，承台侧面钢围堰外侧的恒定温度场取为25℃。3．热源函数的定义混凝土的绝热温升按下式计算：，(，1：K(卜eat)式中：f为混凝土的龄期(d)；F(r)为龄期r时混凝土的绝热温升(℃)：K为混凝土的最大绝热温升(℃)：E／为与水泥品种，比表面及浇筑温度有关的常数(d1)。模型混凝土最大绝热温升K根据水泥水化热估算，塔座与承台混凝土K值分别为60．8℃、50．3℃，常数口取0．78。4．冷却水管的模拟承台和塔座的冷却水管采用直径48咖、壁厚2．5mm的热传导性能好的薄壁钢管。沿

6、厚度方向共布置2层冷却管，距塔座底面1．0In和2．2m，两层纵横交错布置，同一层水管的水平间距为1m。在混凝土浇筑后24h开始通入冷却水，连续通水时间为7天，每根冷管的流量为2．5m3／h，流入口平均水温取为27℃。5．计算结果分析(1)在塔座浇筑完成的初期阶段，结构内部温度分布比较均匀，温度逐渐升高。混凝土表面散热较多，靠近外表面混凝土温度增长比内部要缓慢，逐渐形成内部温度高，外部温度低的温度场，至浇筑后55h结构内部出现最高温度。图2为该阶段结构内部的温度云图。图2浇筑后55h结构内部温度云图(2)由图3可知，冷却水管降温作用明显。通水后在冷管周边温度明显下降，

7、随后塔座内部的温度场被两层水管大致分为三个部分，由于塔座浇筑后顶面覆盖保温层，顶面混凝土散失热量较少，塔座的中部和上部温度均较高，而底部热量以热传递274的形式向下往承台混凝土传导，故而温度比中部和上部要稍低些。图4为塔座中轴线上距塔座底0．4m、1．6m、2．8in的温度时稃曲线．图3塔座中轴线各点温度时程曲线图中各点温度峰值均出现在浇筑后约55h。位于1．6m、2．8m处的2号点和3号点的最高温度分别为73．7℃和74．3℃。位于0．4m处的1号点最高温度为69．1℃，峰值过后各点的降温速率有所不同，从浇筑后55～120h之间，2号点的降温速率最