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1、大体积混凝土浇筑温度应力场仿真研究 摘要:在大体积混凝土施工过程中，温度应力是导致混凝土裂缝产生的最大因素。为此，本文结合笔者多年的实践经验，介绍了混凝土浇筑温度的计算方法，重点就各种不同类型的浇筑温度模型进行分析，并提出了大体积混凝土浇筑温度的控制措施，以供实践参考。关键词:混凝土结构；温度应力；水化热；控制措施中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：随着我国社会经济建设步伐的不断加快，各种类型的建筑工程数量日益增加，对建筑工程的质量安全也提出了更高的要求。大体积混凝土是一种应用较为广泛的建筑材
2、料，具有诸多的优点，目前已推广于许多建筑工程施工中。裂缝是大体积混凝土常见的质量通病，对大体积混凝土机构的使用功能和质量安全具有重要的影响。混凝土裂缝产生的原因有很多，主要包括水泥水化热、温度应力和施工操作等方面的因素，而混凝土浇筑温度则是温度应力的最大影响因素之一。因此，本文重点探讨了不同的混凝土浇筑温度模型，提出一些切实有效的质量控制措施，以加强混凝土温度应力的控制，从而确保大体积混凝土的质量安全。1浇筑温度的计算设浇筑温度Tp可按下式计算6Tp=T1+(Ta+R/β-T1)(φ1+φ2)(1)φ1=
3、kτ(2)式中:T1为入仓温度；Ta为气温；R为太阳辐射热；β为表面放热系数；φ1为平仓以前的温度系数；φ2为平仓以后的温度系数；τ为从混凝土入仓后到平仓前所经历的时间(min)；k为经验系数。由于平仓前的情况比较复杂,故在施工过程中现场应进行混凝土拌和物温度量测,根据实测结果确定系数。在缺乏实测资料时,可以取k=0.0030(1/min)。2不同浇筑温度的模拟分析在结构模拟分析中采用嵌固板模型,即平面尺寸采用较大尺寸(所采用的混凝土底板平面尺寸为100m×50m)。基础为岩石基础,即为刚性约束,其他各边
4、自由。混凝土的上部和侧面与空气接触,下面通过岩石基础导热。把基础视为无限大物体,在ANSYS建模时,取长度和宽度为混凝土底板的2倍。基础的埋深取10m,岩石基础除上表面外,其他各面均采用三向固定约束。6在其他因素相同的情况下,混凝土浇筑前采用相应的降温措施,使混凝土具有不同的浇筑温度来分析混凝土的温度应力场。选用有限元软件ANSYS进行混凝土的温升与时间关系分析时,分别取混凝土的浇筑温度为25℃、30℃、35℃、40℃4种情况,用ANSYS模拟后,对所得结果进行分析,绘出不同浇筑温度情况下的温度与龄期的关
5、系曲线图,如图1所示。图1不同浇筑温度下温度与龄期的关系从图1中可以看出,当浇筑温度不同时,混凝土的温度曲线也相应产生变化,混凝土的最高温度随着浇筑温度的升高而升高。如当浇筑温度为25℃时,最高温度为58.53℃；当浇筑温度为40℃时,最高温度达到70.31℃。同时当浇筑温度较高时,混凝土的最高温度出现的时间相对也较早,说明较高的浇筑温度会使水泥的水化速度提高。同样,利用ANSYS的热-结构耦合功能将上面的温度作为荷载施加到大体积混凝土结构上,便可得到不同龄期时结构的温度应力,将模拟结果分析并处理,便得到
6、第一主应力随龄期的变化曲线,如下页图2所示。图2不同浇筑温度下温度应力与龄期的关系从图2中可以看出,当混凝土浇筑温度越高时,结构所产生的温度应力越大。如当浇筑温度分别为25℃、30℃、35℃、40℃时,结构的第一主应力分别为2.86MPa、3.20MPa、3.546MPa、3.92MPa,其关系基本为线性关系,即浇筑温度每提高1℃,结构的第一主应力便增大2.47%。由此可以看出,浇筑温度对温度应力的影响是比较大的。另外,从不同的浇筑温度分析最大温度应力出现的时间可以发现,浇筑温度高,最大温度应力出现的时间
7、晚,但差别并不大,浇筑温度约每差10℃,最大温度应力出现的时间差为1d。为了更好地分析温度应力的变化情况,将不同浇筑温度下大体积混凝土的降温差与龄期的关系、内外温差与龄期的关系分别绘制,如图3、图4所示。图3不同浇筑温度下降温差与龄期的关系图4不同浇筑温度下内外温差与龄期的关系从图3、图4均可以看出,大体积混凝土的降温差和内外温差都是随着浇筑温度的增加而增加,且最大降温差和最大内外温差均随着浇筑温度的增大使其发生的时间有所提前。同时,由于大体积混凝土的温度应力与降温差和内外温差均有密切的关系,从而可以看出
8、,混凝土温度应力一定也是随着浇筑温度的增加而增加,并且都是呈线性变化的,这与实际情况完全相符。3控制大体积混凝土浇筑温度的措施由ANSYS的仿真结果可以看出,控制浇筑温度可以有效地降低大体积混凝土底板的温度应力。因此,在浇筑混凝土的过程中,应尽量地降低混凝土的浇筑温度。为此,可以通过降低出机口温度、入仓温度等来降低混凝土的浇筑温度。6混凝土出机口温度T0可按下式进行计算(3)式中:cs、cg、cc、cw分别为砂、石、水泥和水的
