某工程超厚混凝土墻體溫度場數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測

岳健男，石聰，王艷，龐二波

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074）

某工程超厚混凝土墻體溫度場數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測

岳健男，石聰，王艷，龐二波

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074）

本文介紹了武漢某工程，此工程施工以超厚混凝土墻體為研究背景，應(yīng)用 ANSYS 有限元分析軟件，計(jì)算了大體積混凝土墻體溫度場，并進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測。結(jié)果表明，利用 ANSYS 有限元分析軟件，混凝土單元類型選用 solid70，設(shè)置合理的邊界條件與環(huán)境條件，可以指導(dǎo)溫度監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)，并將實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬對(duì)比分析，得到溫度場分布發(fā)展規(guī)律。

大體積混凝土；數(shù)值模擬；溫度場；溫度監(jiān)測

0 引言

大體積混凝土由于水泥水化反應(yīng)放出大量的熱量不能及時(shí)散失，導(dǎo)致在澆筑初期出現(xiàn)內(nèi)部溫度遠(yuǎn)高于表面的現(xiàn)象，高的溫差會(huì)導(dǎo)致大體積混凝土構(gòu)件的表面受到很高的拉應(yīng)力從而產(chǎn)生大量的裂縫[1]；而在降溫階段，地基約束大體積混凝土構(gòu)件的降溫收縮，會(huì)造成其中部產(chǎn)生較大的收縮裂縫，甚至是貫穿裂縫。因此，有必要對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫度場數(shù)值模擬與監(jiān)測分析。

1 工程概況

武漢某特種混凝土結(jié)構(gòu)的建筑面積約1100m2，長約45m，寬約 25m，墻體高度 7.5m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為 P8，墻體最厚處達(dá) 4m，一次性澆筑混凝土量約 500m3。

本項(xiàng)目為特種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土防裂要求高，防裂面臨三大難題：①該工程為特種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)業(yè)主要求，不允許出現(xiàn)任何形式的有害裂縫；②該工程大體積混凝土應(yīng)用于墻體結(jié)構(gòu)部位，最大厚度 4m，且屬于多處截面突變的異形結(jié)構(gòu)，易在截面突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致混凝土開裂；③混凝土強(qiáng)度高達(dá) C50，冬季施工澆筑環(huán)境溫度低，若養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，易產(chǎn)生較大的里表溫差，從而導(dǎo)致混凝土開裂。

2 溫度場數(shù)值分析

2.1 配合比與熱學(xué)參數(shù)

混凝土所用原材料為：P·O42.5 水泥，II 級(jí)粉煤灰，S95礦粉，5～31.5mm 連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，岳陽中粗河砂，緩凝型聚羧酸減水劑，仿鋼纖維。確定的 C50 配合比見表1。

表1 C50 混凝土配合比 kg/m3

溫度場數(shù)值計(jì)算中所需混凝土的熱學(xué)參數(shù)，主要為混凝土中膠凝材料的水化熱、放熱速率、混凝土的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、混凝土的初始溫度和溫度邊界條件[2-4]。表2 為 C50 大體積墻體、底板混凝土的熱學(xué)參數(shù)。

表2 墻體、底板混凝土的熱學(xué)參數(shù)

工程混凝土表面與空氣對(duì)流換熱系數(shù)按式（1）計(jì)算[5]：

式中：v——當(dāng)?shù)仫L(fēng)速，m/s。

計(jì)算可知，混凝土頂面對(duì)流換熱系數(shù)取 65kJ/(m2·h·℃)，側(cè)面對(duì)流換熱系數(shù)取 30kJ/(m2·h·℃)。

混凝土的容重為配合比實(shí)際容重 2404kg/m3。

2.2 三維有限元模型

利用 ANSYS 軟件在進(jìn)行混凝土溫度場計(jì)算中，混凝土單元類型選為 solid70 單元，計(jì)算模型結(jié)合施工澆筑條件，計(jì)算在木模板保溫條件下混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場分布規(guī)律。由于模型平面形狀既有規(guī)則的長方形又有弧形面，在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用自由網(wǎng)格劃分。邊界條件設(shè)置為，環(huán)境大氣溫度設(shè)置為 4℃，混凝土初始溫度為 18℃，墻體混凝土頂面與空氣對(duì)流換熱系數(shù)按照風(fēng)速為 3m/s 計(jì)算，大體積混凝土墻體底部建立底板模型，底板初始溫度設(shè)置為同大氣溫度一致，底板與墻體之間發(fā)生熱交換，默認(rèn)底板底面不再向下部土體傳熱。選取一個(gè)跳倉施工段建立模型。模型外輪廓長度21.15m，寬度 15.30m。圖 1 為約束、邊界條件施加和網(wǎng)格劃分后的有限元模型。

圖 1 超厚混凝土墻體有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖 2 為 72h 計(jì)算所得的溫度場分布，圖 3 為 168h 計(jì)算所得的溫度場分布。

圖 2 72h 溫度場分布

圖 3 168h 溫度場分布

從圖 2 和圖 3 中可見，在不采取保溫措施時(shí)，混凝土墻體上表面溫度在整體溫度場中處于最低溫度范圍；在不采取保溫措施下，72h 時(shí)墻體混凝土內(nèi)部最高溫度約為 51℃，168h 時(shí)墻體混凝土溫度峰值約為 61℃；在 72h 和 168h 時(shí)墻體混凝土的里表溫差都大于 25℃，必須采取保溫措施；墻體混凝土在平面尺寸的邊界四周溫度低、遠(yuǎn)離平面四周邊界的位置溫度高；在豎向分布上，墻體混凝土上表面溫度低于靠近下部混凝土的溫度，即混凝土溫度分布在水平方向的里表溫差與在豎直方向的里表溫差相比，豎直方向的里表溫差較大。

4 現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

布設(shè)原則：既能反映混凝土中心最高溫度，即半絕熱狀態(tài)的溫升規(guī)律，又能反映混凝土表面溫度變化規(guī)律。總體可以反映出混凝土中心與表面混凝土、表面混凝土與環(huán)境溫度的歷時(shí)差值變化規(guī)律[6]。

具體布設(shè)：墻體混凝土截面高度方向分 3 層，上層布點(diǎn)距離頂面混凝土 10cm，中層布點(diǎn)在高度方向 1/2 處，底層布點(diǎn)距離底面混凝土 10cm。考慮結(jié)構(gòu)在角點(diǎn)突變處極易產(chǎn)生應(yīng)力突變效應(yīng)，所以在各角點(diǎn)突變處設(shè)置溫度監(jiān)測點(diǎn)，并且考慮結(jié)構(gòu)本身的對(duì)稱性和混凝土等級(jí)強(qiáng)度的同一性，可以在角點(diǎn)突變處沿對(duì)稱軸一側(cè)布設(shè)測點(diǎn)。以達(dá)到使用最少的溫度傳感器監(jiān)測盡可能準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的目的。各角點(diǎn)處測溫點(diǎn)布設(shè)距離混凝土邊側(cè) 10cm 位置。依據(jù)以上表述，作了溫度監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖。圖 4 為溫度監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖。共 27 個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)。

圖 4 溫度監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖

4.2 溫度監(jiān)測結(jié)果及分析

鑒于溫度監(jiān)測點(diǎn)多，不再逐一提取，僅提取 5#～9# 監(jiān)測點(diǎn)的中心溫度監(jiān)測結(jié)果以及 5#～9# 監(jiān)測點(diǎn)中心溫度與上表面溫度差。圖 5 為 5#～9# 監(jiān)測點(diǎn)中心厚度處監(jiān)測溫度，圖 6 為5#～9# 監(jiān)測點(diǎn)中心厚度與上表面溫差。

圖 5 5#～9# 中心厚度處監(jiān)測溫度

從圖 5 中可見，溫度監(jiān)測曲線反映出在同一起測時(shí)刻，各測點(diǎn)起測溫度差異較大，在入模溫度接近的前提下，起測時(shí)刻最大溫度差近 10℃，這是由于混凝土在早期水化放熱速率較快，澆筑持續(xù)時(shí)間長的混凝土工程各監(jiān)測點(diǎn)傳感器被混凝土覆蓋埋入存在時(shí)間差異，從而造成在同一起測時(shí)刻的監(jiān)測溫度差異；在本次監(jiān)測區(qū)域中，溫度監(jiān)測最高點(diǎn)為 8# 測點(diǎn)，自混凝土澆筑開始約 3d 齡期達(dá)到溫度最高值約為 64℃，由膠凝材料水化放熱引起的最大溫升約為 41℃。

圖 6 5#～9# 中心厚度與上表面溫差

從圖 6 中可見，5# 里表溫差最大，原因?yàn)?5# 監(jiān)測點(diǎn)中心溫度較高，弧形邊界處為鋼模，邊界散熱較快，引起里表溫差較大。所有監(jiān)測點(diǎn)的里表溫差均小于 25℃，對(duì)防止大體積混凝土墻體溫度裂縫的產(chǎn)生有利。

5 結(jié)論

（1）對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場數(shù)值分析中，混凝土采用 solid70 單元，對(duì)水泥水化熱折減，側(cè)面和頂面采用對(duì)流換熱系數(shù)，可以較好地計(jì)算大體積混凝土墻體的溫度場分布。

（2）墻體混凝土溫度在監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)，中心溫度先上升后下降，溫升速率快，溫降速率慢。溫度監(jiān)測表明混凝土墻體中心溫度在 3d 齡期達(dá)到溫峰，8# 測點(diǎn)為溫度監(jiān)測最高點(diǎn)，3d 齡期溫度約為 64℃，溫升 41℃；各監(jiān)測點(diǎn)的里表溫差均控制在 25℃ 內(nèi)，有利于混凝土防止溫度裂縫的出現(xiàn)。

（3）采用有限元計(jì)算溫度場可對(duì)溫度監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)起到指導(dǎo)作用。實(shí)際監(jiān)測溫度發(fā)展規(guī)律與有限元計(jì)算規(guī)律吻合度較高，尤其是中心溫度發(fā)展規(guī)律、最高溫度及最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間與實(shí)測結(jié)果非常接近。

[1] 彭立海，閻士勤等．大體積混凝土溫控與防裂[M]．鄭州:黃河水利出版社，2005．

[2] Breugel．Prediction of Temperature Developmentin Hardening Concrete．Avoidance of Thermal Cracking in Concrete at Early Ages．1998(3):51-75．

[3] Abdallah I，Husein Malkawi，Saad A. Mutasher and Tony J. Qiu。Thermal-Structural Modeling and Temperature Control of Roller Compacted Concrete Gravity Dam. Journal of performance of constructed facilities．2003(11):177-187．

[4] 楊秋玲，馬可栓．大體及混凝土水泥化熱溫度場三維有限元分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(36):261-263.

[5] 朱伯芳．大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M]．北京:中國電力出版社，1999．

[6] 霍凱成．巴東長江大橋承臺(tái)大體積混凝土溫度控制[J]．巖土力學(xué)，2002,23(10): 238-239.

［通訊地址］中建商品混凝土有限公司湖北武漢站（276000）

Numerical simulation and monitoring of medical radiation protection concrete wall temperature fi eld

Yue Jiannan, Shi Cong,Wang Yan, Pang Erbo
( China Construction Ready Mixed Concrete CO., Ltd, Wuhan Hubei 430074 )

This paper investigated the calculation of mass concrete wall temperature field by ANSYS and compared the results with measured results, based on radiation protection mass concrete wall of medical linear accelerator in Wuhan Union Hospital.The solid70 was selected as the concrete element and reasonable boundary conditions and environmental conditions were set in the analysis of ANSYS. The results shows that temperature fi eld distribution and development law obtained through numerical simulation analysis are consistent with measured results,which can help set up the temperature monitoring points.

massive concrete; numerical simulation; temperature fi eld; temperature monitoring

岳健男，男，技術(shù)總工，工程師，主要從事商品混凝土技術(shù)工作。