大體積混凝土早期溫度應(yīng)力有限元數(shù)值模擬研究

陳東 魏天酬 吳鑫 關(guān)素敏

（四川華西綠舍建材有限公司）

0 引言

大體積混凝土由于構(gòu)件尺寸大、導(dǎo)熱性差，水泥水化過程中產(chǎn)生的大量熱量不容易散發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溫度不斷上升。而混凝土表面由于與空氣接觸散熱較快，產(chǎn)生的內(nèi)外溫差會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生拉應(yīng)力[1]。而早期混凝土強(qiáng)度沒有充分發(fā)展，抗拉強(qiáng)度較低，當(dāng)拉應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致溫度裂縫生成，這種裂縫很容易進(jìn)一步擴(kuò)展為深層裂縫，甚至是貫穿裂縫，對結(jié)構(gòu)危害較大，影響其耐久性和可使用性[2]。因此本研究利用有限元數(shù)值模擬對某承臺(tái)大體積混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行早期溫度應(yīng)力分析，探討澆筑溫度、環(huán)境溫度、保溫材料等因素對混凝土表面溫度應(yīng)力的影響，并采用模擬計(jì)算對比了施工過程中鋪設(shè)循環(huán)水冷卻管控溫的效果，為溫度裂縫的控制措施提供參考。

1 承臺(tái)三維有限元模型

該承臺(tái)采用C30 混凝土澆筑，設(shè)計(jì)尺寸為11.2m×8m×3.6m，地基視為無限大物體，建立模型時(shí)地基長和寬取承臺(tái)的1.5 倍，尺寸為16.8m×12m×2.4m，基于結(jié)構(gòu)雙軸對稱性原則，建立承臺(tái)與地基1/4 三維有限元模型，邊界條件為承臺(tái)與地基良好接觸，底部固定約束，側(cè)面及頂部與四周空氣發(fā)生熱交換對流[3]，模型劃分網(wǎng)格后如圖1 所示。

圖1 承臺(tái)和地基1/4 結(jié)構(gòu)有限元模型圖

承臺(tái)與地基模型計(jì)算參數(shù)如表1 所示[4]。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2 溫度應(yīng)力影響因素分析

混凝土表面裂縫是由內(nèi)外溫差產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力引起的。當(dāng)混凝土配合比和原材料物理參數(shù)一定的情況下，影響混凝土結(jié)構(gòu)早期表面拉應(yīng)力的因素有澆筑溫度、環(huán)境溫度、保溫材料等，關(guān)于保溫材料分別模擬草袋養(yǎng)護(hù)、塑料薄膜養(yǎng)護(hù)和無保溫材料裸露養(yǎng)護(hù)三種情況，對應(yīng)的保溫對流系數(shù)為4.2W/m2·k、5.25W/m2·k、6W/m2·k。對以上三個(gè)影響因素分別做單因素模擬計(jì)算，以此判斷每個(gè)因素對混凝土表面拉應(yīng)力的影響程度。單因素模擬計(jì)算分組如表2 所示。

表2 單因素模擬計(jì)算分組

2.1 澆筑溫度

在環(huán)境溫度、保溫材料對流系數(shù)以及其他計(jì)算參數(shù)不變的情況下，對比澆筑溫度分別為10℃、20℃、30℃時(shí)，承臺(tái)大體積混凝土結(jié)構(gòu)同一開裂關(guān)鍵點(diǎn)的拉應(yīng)力發(fā)展曲線變化情況，模型計(jì)算結(jié)果如圖2。

由圖2 可見，隨著澆筑溫度的升高，承臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力峰值明顯上升，在10～30℃之間，澆筑溫度每升高10℃則表面拉應(yīng)力峰值增加0.7×106N/m2左右，且早期拉應(yīng)力增長速度隨澆筑溫度升高而加快，分析其原因?yàn)闈仓r(shí)初始溫度的升高使早期水泥水化速率加快，因此導(dǎo)致最大溫差和拉應(yīng)力峰值的來臨時(shí)間提前[5]。

圖2 不同澆筑溫度時(shí)表面拉應(yīng)力發(fā)展曲線圖

2.2 環(huán)境溫度

在澆筑溫度、保溫材料對流系數(shù)以及其他計(jì)算參數(shù)不變的情況下，對比環(huán)境溫度分別為10℃、20℃、30℃時(shí)，承臺(tái)大體積混凝土結(jié)構(gòu)同一開裂關(guān)鍵點(diǎn)的拉應(yīng)力發(fā)展曲線變化情況，模型計(jì)算結(jié)果如圖3。

由圖3 可見，在10～30℃之間隨著環(huán)境溫度的升高，承臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力峰值逐漸降低，但相較于澆筑溫度對拉應(yīng)力峰值的影響較小，環(huán)境溫度每升高10℃，表面拉應(yīng)力峰值降低0.3×106N/m2左右。外部環(huán)境溫度的升高會(huì)導(dǎo)致中心溫度略有上升，但會(huì)使得結(jié)構(gòu)表面降溫速率明顯降低，因此使得內(nèi)外溫差和表面拉應(yīng)力減小。

圖3 不同環(huán)境溫度時(shí)表面拉應(yīng)力發(fā)展曲線圖

2.3 保溫材料

在環(huán)境溫度、澆筑溫度以及其他計(jì)算參數(shù)不變的情況下，對比草袋養(yǎng)護(hù)、塑料薄膜養(yǎng)護(hù)和無保溫材料裸露養(yǎng)護(hù)三種情況下，承臺(tái)大體積混凝土結(jié)構(gòu)同一開裂關(guān)鍵點(diǎn)的拉應(yīng)力發(fā)展曲線變化情況，計(jì)算結(jié)果如圖4。

由圖4 可見，采用草袋、塑料薄膜等保溫養(yǎng)護(hù)方式可明顯降低承臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力峰值，并減緩拉應(yīng)力的增長速率，推遲拉應(yīng)力峰值的來臨時(shí)間，有利于結(jié)構(gòu)安全性和裂縫控制。但裸露養(yǎng)護(hù)條件下應(yīng)力釋放更快，大約在14d 之后裸露養(yǎng)護(hù)條件下的結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力逐漸低于草袋、塑料薄膜兩種保溫養(yǎng)護(hù)方式，因此在大體積混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)過程中應(yīng)該合理控制保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間，在混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到一定強(qiáng)度后應(yīng)拆除保溫養(yǎng)護(hù)層，使表面拉應(yīng)力盡快釋放。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)條件時(shí)表面拉應(yīng)力發(fā)展曲線圖

3 裂縫控制措施

綜合上述分析結(jié)果可知，在混凝土配合比不變的情況下，可以在施工過程中調(diào)控各種因素，以達(dá)到控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)早期表面拉應(yīng)力，防止結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的效果。例如降低澆筑溫度可以減緩早期水泥水化速率，明顯減小大體積混凝土結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力峰值，降低拉應(yīng)力增長速度，使結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度得到更充足的發(fā)展時(shí)間，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。在澆筑完成后采用保溫材料養(yǎng)護(hù)可以降低大體積混凝土結(jié)構(gòu)表面熱交換對流系數(shù)，使表面放熱速率降低，減小結(jié)構(gòu)表里溫差以及表面拉應(yīng)力，以達(dá)到控制開裂風(fēng)險(xiǎn)的效果，但應(yīng)注意合理控制保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

除此以外，為進(jìn)一步降低開裂風(fēng)險(xiǎn)，工程中經(jīng)常采用鋪設(shè)循環(huán)水冷卻管的方式降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度[6]，本研究采用表2 中1 組1-2 的計(jì)算參數(shù)，在以上模型基礎(chǔ)上增加上下兩層冷卻水管模擬計(jì)算，如圖5 所示。其中冷卻水管直徑27mm，冷卻水入口溫度為15℃，流量1.2m3/h。

圖5 鋪設(shè)循環(huán)冷卻水管模型圖

冷卻水管模型計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。循環(huán)冷卻水可使大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度大幅度下降，因此結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力峰值明顯降低。而兩種情況下前期應(yīng)力增長速率基本保持一致，說明降低表面拉應(yīng)力的主要手段是減小表里溫差。前期水泥水化放熱階段冷卻水管對表里溫差影響不大，進(jìn)入降溫階段后冷卻水管可提高結(jié)構(gòu)內(nèi)部降溫速率，達(dá)到降低表里溫差和表面拉應(yīng)力的效果[7]。

圖6 水管冷卻表面拉應(yīng)力發(fā)展曲線對比圖

4 結(jié)論

針對大體積承臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑溫度、環(huán)境溫度、保溫養(yǎng)護(hù)條件等原材料以外的表面拉應(yīng)力影響因素以及循環(huán)冷卻水降溫方式做了有限元模擬計(jì)算研究，得出以下結(jié)論：

⑴表面拉應(yīng)力隨澆筑溫度的升高而增大，隨環(huán)境溫度的升高而減小，相較之下澆筑溫度比環(huán)境溫度對表面拉應(yīng)力的影響更大；

⑵采用保溫材料養(yǎng)護(hù)方式可以明顯降低表面拉應(yīng)力峰值，降低早期拉應(yīng)力的增長速率，但會(huì)影響后期表面應(yīng)力釋放，因此需要合理控制保溫材料養(yǎng)護(hù)時(shí)間；

⑶鋪設(shè)冷卻水管時(shí)，采用合理的鋪設(shè)方式和水管間距可以達(dá)到良好的降溫效果，減小內(nèi)外溫差且降低表面拉應(yīng)力。

采用有限元數(shù)值模擬計(jì)算得到的大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力數(shù)據(jù)并不一定能完全吻合實(shí)際工程中的應(yīng)力值，但得到的各個(gè)因素的影響變化規(guī)律可以用來指導(dǎo)施工及養(yǎng)護(hù)方案的制定。實(shí)際施工過程中可以將多種措施結(jié)合使用，以達(dá)到防止早期表面裂縫產(chǎn)生的效果。