基于Ansys的大體積混凝土溫度場有限元分析

鄭思敏

（新疆玉點建筑設計研究院有限公司，烏魯木齊830002）

混凝土水化時必然產生水化熱，對于小體積混凝土，水化熱較小同時比表面大，使得少量的水化熱能夠較快消散，而大體積混凝土水化熱總量大且比表面小，水化熱難以散去。容易產生不均勻的溫度場和應力場，從而使混凝土產生裂縫。當大體積混凝土在夏季施工時，更加劇了混凝土開裂的程度。因此在大體積混凝土澆筑中有必要研究溫度場對混凝土開裂的影響規律。在結構設計中，通常只考慮荷載（地震作用）產生的內力和變形，截面積尺寸和鋼筋用量均是按照荷載效應確定。然而對于筏板、箱型基礎等的設計，溫度場的影響不可忽略。但是通常的構造配筋并不能保證按照實際情況配置，因此有必要充分掌握大體積混凝土的開裂規律。

該文利用大型通用有限元Ansys軟件，研究了在溫度場作用下的筏板基礎溫度應力場的分布情況，并探討了減小裂縫的措施，以期為其設計提供參考依據。

1 工程概況與有限元模型

某超高層建筑總建筑面積81 200m2，4層地下室，底板采用筏板基礎，厚1.5m。該文以筏板基礎Ⅱ區的混凝土筏板作為研究對象，模擬混凝土澆筑期間溫度對筏板的影響。由于施工工期緊，筏板在Ⅱ區的混凝土連續澆筑，澆筑期間砼的施工溫度Tp＝34℃，澆筑初期筏板的墊層溫度為30℃，當地日常均溫Ta＝33℃。混凝土強度等級為C40，配合比見表1，其他參數參見限于篇幅不再敘述。施工期間在筏板基礎中分上、中、下三部分埋設溫度傳感器，如圖1所示。

表1 C40混凝土配合比

Ansys是一款通用的大型有限元軟件，在熱分析中，利用SOLID70單元來模擬筏板。地基與基礎混凝土的熱工參數見表2［1－5］。

表2 熱工參數

2 計算結果分析

2.1 溫度場分析

圖2為測點1的計算結果，圖3為測點的實際測量溫度。由圖2可知，筏板基礎上部、中心和下部溫度大體變化趨勢相同，在前期由于水泥水化放熱，溫度均處于上升趨勢，當在4d左右的時候，混凝土水化反應速率降低，水化熱減小，因此筏板基礎上部、中心和下部溫度均降低。由于上部與外界大氣接觸，空氣流動性強，所以溫度始終最小，而前期中部溫度要大于下部溫度，3～4d后由于下部與墊層接觸熱量難以散去。

由圖2和圖3可知，實際測量的中部溫度和計算的中部溫度變化趨勢和峰值基本相同，說明了模型的正確性。但是實際的變化圖有比較明顯的上下波動，主要是外界天氣的影響。

筏板基礎內外有較大的溫度差，在3～4d時，其值達到最大，可知：在澆筑第3d左右內外溫差出現最大值，差值為35℃左右。

圖4和圖5分別為筏板基礎的第3d和第36d的應力云圖。由圖2～圖5可知，大體積混凝土筏板的溫度裂縫在升溫和降溫階段均會產生裂縫。在升溫階段，混凝土內部受壓，內外溫度差較大，從而產生溫度應力致使混凝土表面產生溫度裂縫。在降溫階段，混凝土主要產生收縮變形。但是由于筏板基礎受到周圍土體的約束，筏板基礎在內部拉應力的作用下產生溫度裂縫。

2.2 截面應力結果分析

圖6和圖7分別為筏板基礎在不同時期X向和Y向的剖面溫度應力云圖。由圖6和圖7可知，對于同一斷面的筏板基礎，由于受到內外溫差的影響，其上下表面拉應力均較大。

在不同的時期，混凝土內部受力比較復雜，前期升溫階段筏板內部受熱膨脹受到外部混凝土的限制，致使內部產生壓應力，外部受拉從而導致外部開裂。而在后期降溫階段主要是拉應力起主導作用。

3 裂縫的控制措施

影響混凝土開裂的因素有很多，例如材料本身的收縮，溫度，濕度，荷載等。針對影響各種因素有不同的措施，該文重點討論溫度裂縫控制措施。

大體積混凝土溫度裂縫主要是內外部的溫度不同，從而導致混凝土開裂。因此合理控制內外溫度差，是解決溫度裂縫的途徑。溫度裂縫控制的措施有：

混凝土水化熱是產生裂縫的根本原因，因此可以合理選擇低水化熱的水泥材料，例如火山灰水泥、礦渣水泥等低水化熱的水泥。

在選用高水化熱的水泥時，可以根據情況適量添加活性材料，例如粉煤灰，礦渣等。

選用合適的外加劑，例如減水劑，引氣劑等。

大體積混凝土分層分段澆筑。

合理配置構造筋：混凝土產生裂縫的根本原因是由于混凝土的抗拉強度低，因此在筏板容易出現拉應力的地方配置合理的鋼筋，理論上就可以控制裂縫的開展。由于混凝土內部在是升溫階段，內部出現壓應力，降溫階段出現拉應力但是較小，所以大體積混凝土內部從溫度方面考慮，就無需配置溫度構造筋。筏板基礎上下表面會產生較大的拉應力，因此在混凝土的上下表面要配置合理的構造筋限制裂縫的開展。同時，可以根據不同的部位采用不同的鋼筋率，以達到經濟合理的目標。

4 結 論

a.筏板基礎在混凝土澆筑前期溫度升高較快，在3～4d，達到峰值，后期降溫趨勢平緩。

b.筏板基礎上部、中心和下部溫度變化趨勢相同，但是有溫差。上部溫度始終較小，中部溫度前期大后期小于下部溫度。

c.筏板基礎升溫階段內部產生壓應力，后期降溫階段內部產生拉應力。

d.通過實測和計算結果可知，驗證了有限元模型的正確性，利用Ansys軟件分析大體積混凝土溫度場作用下的力學性能是可行的。

［1］ 徐鶴山.ANSYS在建筑工程中的應用［M］.北京：機械工業出版社，2005.

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