地下室墻體測(cè)溫試驗(yàn)及溫度場(chǎng)的有限元分析

摘 要：文章引入水化度對(duì)傳統(tǒng)的早期混凝土溫度場(chǎng)計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)。通過對(duì)新澆混凝土中不同位置的溫度測(cè)試探求溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律，同時(shí)用有限元的方法進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，兩者比較驗(yàn)證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：測(cè)溫試驗(yàn)；溫度場(chǎng)；混凝土裂縫

1 概述

地下室墻體的施工中，常因?yàn)榛炷了療釋?dǎo)致溫度裂縫。通過計(jì)算分析得到混凝土中的溫度場(chǎng)，有利于控制這種早齡期混凝土溫度裂縫。而傳統(tǒng)的計(jì)算方法不考慮水泥的水化程度，本文以某高層寫字樓的地下室墻體為例，考慮了混凝土的放熱速率的差異，以使分析結(jié)果更加合理。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫試驗(yàn)

為了對(duì)混凝土的施工過程進(jìn)行溫度控制，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫試驗(yàn)。本次試驗(yàn)的地下室一段外墻厚0.6m，高3.0m，長30.0m，底板厚0.8m。從澆注混凝土開始，連續(xù)測(cè)溫28天。混凝土使用標(biāo)號(hào)為C30S8的混凝土，預(yù)測(cè)強(qiáng)度54.1MPa，坍落度140～160mm，容重2400kg/m3。使用的水泥為P.O.42.5R水泥。

試驗(yàn)用測(cè)溫儀器采用JDC-2型電子數(shù)字測(cè)溫儀，精度范圍±0.5℃。共設(shè)置15個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，探頭預(yù)埋在混凝土內(nèi)部。試驗(yàn)過程從澆注承臺(tái)開始，48小時(shí)內(nèi)連續(xù)每兩小時(shí)測(cè)溫一次；第3～6天內(nèi)每4小時(shí)測(cè)溫一次；第6～28天完成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，每天測(cè)溫兩次。測(cè)溫同時(shí)量測(cè)每天溫度、濕度。

3 基于水化度方法的溫度場(chǎng)的計(jì)算

3.1 溫度場(chǎng)有限元分析的原理

3.2 水化度方法

溫度場(chǎng)有限元計(jì)算分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩大類：穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算用于分析穩(wěn)定的熱載荷的影響，而瞬態(tài)熱分析用于計(jì)算系統(tǒng)隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)。本文計(jì)算中要用到的是瞬態(tài)熱分析。瞬態(tài)熱分析的基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類似，主要區(qū)別在于瞬態(tài)熱分析的載荷是隨時(shí)間變化的，穩(wěn)態(tài)熱分析的載荷與時(shí)間無關(guān)。為了表達(dá)隨時(shí)間變化的載荷，首先必須將載荷-時(shí)間曲線分為各個(gè)載荷步。對(duì)于每一個(gè)載荷步，必須定義載荷值及時(shí)間值，同時(shí)必須選擇載荷步為漸變式或階越式。在實(shí)際計(jì)算中，是通過計(jì)算機(jī)程序循環(huán)處理各步驟的：首先，通過資料或者材料試驗(yàn)獲得水泥絕熱情況下的放熱和溫升曲線；第二步，把總時(shí)間分為足夠小的若干個(gè)時(shí)間段，按絕熱情況求出每個(gè)小的時(shí)間段的放熱量ΔQa；第三步，按照上面的公式計(jì)算每一個(gè)有限元單元或節(jié)點(diǎn)該時(shí)間段的放熱量ΔQp；最后，假定Ta為絕熱溫升曲線上的溫度值，Tp為上一個(gè)時(shí)間段末尾該單元或節(jié)點(diǎn)的溫度值計(jì)算結(jié)果，把每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值保存在一個(gè)矩陣中，每過一個(gè)時(shí)間段將該矩陣的數(shù)值更新。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

最高計(jì)算溫度值為42.1℃，發(fā)生在24h左右；最高實(shí)測(cè)溫度值為43.5℃，也發(fā)生在24h左右，相對(duì)誤差為3.3%。表面點(diǎn)和中心點(diǎn)的溫差最大為7℃，中心點(diǎn)前后最大溫差28℃。

計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，特別是在前120h內(nèi)吻合得比較好，在120h以后計(jì)算值比較實(shí)測(cè)值偏低1-2℃，但也在可接受的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的水泥水化熱隨齡期發(fā)展的公式本身不能反映溫度對(duì)水泥水化的影響作用而存在缺陷，本文考慮溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響作用，提出了基于水化度方法的溫度場(chǎng)計(jì)算方法，改善了傳統(tǒng)水化熱公式的不足，利用這套方法進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算分析的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好說明了該方法的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]陳肇元，朱金銓，崔京浩.地下結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土抗裂研究.清華大學(xué)土木系，1998.

[2]朱伯芳.大體積混凝土的溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

作者簡介：張岫文（1977，11-），男，湖南岳陽，工程師，碩士研究生，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工。