大体积混凝土柱施工期温度场及温度应力分析.pdf

2 0 1 4年第 9期 9月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0NC RE TE AND C EME NT P R0DUC I 2 01 4 N o ． 9 S e p t e mb e r 大体积混凝土柱施工期温度场及温度应力分析 李志 国， 邵永健 ( 苏州科技学院， 2 1 5 0 1 1 ) 摘要 ： 大体积混凝 土结构在施 工初 期容易受到 自身水化热升温和外界环境温度 变化 的影 响 ， 从 而在 结构 内部 产 生温度应 力。温度应 力是 大体积混凝土开裂的主要原 因， 为 了控制混凝土温度裂缝的发展 ， 有必要对 大体积 混凝 土柱施 工期 的温度进行 监测 ， 进 而分析其 内部温度 应力变化规律。基 于实际工程的现场监测数据 ， 得 出大体 积混凝 土柱施 工期 的 内外温度 与最大温差 变化规律 ． 并与大型有限元软件 A NS YS 模 拟的施工期 温度场结果进行对 比。通 过计 算混凝 土 内部 的最大温度应力 ， 提 出了大体积 混凝土柱施工阶段的工艺改进措施。 关键词 ： 大体 积混凝土 ； 温度应 力： A NS YS ； 水化热 Ab s t r a c t ： B e c a u s e o f t h e i n f l u e n c e o f h y d r a t i o n h e a t t e mp e r a t u r e o f c e me n t a n d t h e e x t e r n a l e n v i r o n me n t t e mp e r a — t u r e ， t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s i s e a s i l y o c c u r r e d w i t h i n t h e ma s s c o n c r e t e s t r u c t u r e a t t h e s t a r t i n g s t a g e o f t h e c o n s t r u c t i o n ． Te mpe r a t ur e s t r e s s i s t he ma i n r e a s o n f o r t h e ma s s c o n c r e t e cr ac ki ng ，S O i t i s ne c e s s a r y t o mo ni t o r t h e t e mp e r a t ur e o f ma s s c o n c r e t e c o l u mn d u rin g c o n s t r u c t i o n p e rio d a n d a n a l y z e i t s i n t e rna l t h e r ma l s t r e s s c h a n g e rul e i n o r d e r t o c o n t r o l t h e d e — v e l o p me n t of c o n c r e t e t e mp e r a t u r e c r a c k ．Ba s e d o n s o me d a t a b y a c t u a l e n g i n e e rin g f i e l d mo n i t o ri n g ，t h e c h a n g e rul e me n t i o n e d a b o v e i s c o n c l u d e d a n d c o mp a r e d w i t h s i mu l a t e r e s u l t s o f t e mp e r a t u r e fi e l d b y t h e f i n i t e e l e me n t s o f t wa r e AN— S YS d u ri n g t h e c o n s t r u c t i o n ．I n a d d i t i o n ，a c c o r d i n g t o t h e c a l c u l a t i o n of c o n c r e t e i n t e r n a l m~i mu m t e mp e r a t u r e s t r e s s ， s ome t e c hn o l o g y i mprov e me nt me a s ur es o f ma s s c o nc r e t e c o l u mn a p ut f or wa r d du ring c o n s t r u c t i o n pe rio d． Ke y wo r d s ： Ma s s c o n c r e t e ； T e mp e r a t u r e s t r e s s ； ANS YS； Hy d r a t i o n h e a t 中图分类号 ： T U 3 7 5 ． 3 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 9 — 7 5 — 0 4 0前言 温度应 力是造成大体积混凝 土表面开裂 的主 要原 因之一 。大体积混凝 土在施工时 ， 由于内部水 化热不能及时散出， 导致结构的内部与表面温差 以 及变形不协调 ． 从而容易产生裂缝 。因此 ， 监测大体 积混凝 土施工 阶段 的温度变化及 其温度应力分析 对结构的裂缝控制具有实际工程意义【 1 1 。 1 工程 背景 本工程为苏州市轨道交通二 号线车辆段停车 场上盖平 台区底层大截面柱的大体积混凝土施工。 此平 台区规划 为列车列检库 ，其东西 向 A～ P轴长 1 7 7 ． 3 m， 南北 向 2 ～ 2 6轴长 2 2 8 m， 其平面形状基本呈 矩形 。停车列检库共三层 ， 一层为车辆段用房 ， 二层 主要为停车库 。 1 4 ． 2 m平 台为物业开发用房。 该 区底 层 柱截 面尺 寸 较 大 ， 上部 结 构 底 层 柱截 面 尺 寸 主 要 有1 3 0 0 m m x l 3 0 0 mm、 1 8 0 0 ram x l 8 0 0 mm 1 2 0 0 mmx l 4 0 0 mm、 1 2 0 0 mmx1 6 0 0 mm 2 2 0 0 mmx 2 2 0 0 ram。 混凝土浇筑总高度 5 ． 5 m( 二层楼 面 8 ． 7 0 m 平台至三层楼底 1 4 ． 2 m平 台) ， 按照 G B 5 0 4 9 6 — 2 0 0 9 基金项 目：江苏省 2 0 1 2年研究 生教育教学改革研 究与实践 课 题( J G Z Z 1 2 _ 0 7 9 ) 。 《 大体积混凝土施 工规 范》 闭 的定义 ， 该 柱浇筑属 于 大 体积 混凝土施工 ， 因此 。 应特别注意大体积混凝 土的温度裂缝问题 。 该柱的混凝土强度等级为 C 5 0 ， 水泥采用 强度增 长较 为缓慢且最终水化放热量较 低 的 P 0 4 2 ． 5级水泥 ， 3 d抗压强度 2 6 MP a ． 2 8 d抗 压强度 5 6 MP a ， 7 d水化热 3 0 6 k J ／ k g ；掺合料为 Ⅱ级 粉煤灰 和矿粉 ： 细集料为江西产 中砂 ； 粗集料选用 湖州产 5 - 2 5 m m连续级配石子 ；外加剂选用 B H一 1 0 L减水剂 。具体配合 比见表 l 。 表 1 施工用大体积混凝 土配合比 k g ／ m 2 温 度监 测方 案 2 ． 1 监 测柱 子 的选取 本次温度监测选取 D 2 — 3区平面中心位置附近 的 4根大截面柱 ， 这 4根柱子的截面尺寸都是 2 2 0 0 mmx 2 2 0 0 mm。 2 ． 2温度测点布置 大体 积混凝 土浇筑体 内温度监测 点的布置应 真实反映混凝土浇筑体 内最高温升、里表温差 、 降 一 75— 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 9期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 1 期 温速率及环境温度 ， 本工程大体积混凝土浇筑体 内 温度测点布置见图 1 。 图 1 大截面柱 的温度测点布置 图 l中 5个测点的具体布置如下 ： 1 #测点( 柱子顶部测点 ) ： 布置在混凝土浇筑体 表 面 ( 三 层楼 面 ) 下 5 0 ram处 ( 柱 子 中心 线上 ) 。 2 #测点( 柱子中上部测点 ) ： 布置在 1 #测 点和 赠 7 0 6 O 5 0 基4 0 赠 3 0 2 0 1 0 O 养护时间／ d ( a ) 1 #柱各测点温度监测结果 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 养护时间， d 3 #测点 中间， 1 #测点下 1 3 5 0 mm处。 3 #测点( 柱子中部测点 ) ： 布置在混凝土浇筑体 几何中心位置。 4 #测点( 柱子中下部测点) ： 布置在 3 #测点下 方 1 3 5 0 m m处 。 5 #测 点 ( 柱侧 边测点 ) ：布 置在离柱 子侧边 5 0 ra m， 三层楼 面下 方 7 2 5 mm处 。 数据采集平 台设置在三层楼面上部的钢箱梁 上 。 2 ． 3 监 测方 案 混凝土浇筑前 ， 测量混凝 土的人模温度 ： 混凝 土浇筑完成时 ， 所有测点采集一次温度数据 ： 接下 来的温度上升 阶段每 3 h采集一次温度数据 ：至温 度下降阶段每 8 h采集一次温度数据。每次采集混 凝土温度数据 时。 同时测量并记录大气温度。温度 监测过程 中， 当出现表里温差 、 降温速率超过规定 值时应报警 ， 并及时调整和优化温控措施 。混凝 土 温度降至与大气温度基本一致时， 监测工作结束。 3温度监 测 结果与模 拟 结果分 析 3 ． 1 温度 监测结 果 4个大体积混凝土柱的温度监测结果见图 2 。 越 赠 魁 赠 养护时间／ d ( b ) 柱各测点温度监测结果 养护时间， d ( c ) 3 #柱各测点温度监测结果 ( d ) 钟 柱各测点温度监测结果 图 2 柱测点温度随时间的变化规律 从各柱不同测点温度变化规律可以看出： ①混 凝土浇筑后 ， 混凝土内部升温很快 。测点温度基本 上在 2 d后达到最高 ，然后温度随时间推移开始逐 一 7 6一 渐降低。②每个柱子中2 # 测点升温最快，温度最 高 ，最高温度分别为： 6 5 ．7 ℃、 6 9 - 3 ℃、 6 9 ． 9 ~ t 2 、 7 2 ． 6 ℃； 其平均值为6 9 ．4 ~C 。 ③分析图2可知， 并非表面测点 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李志国， 邵永健 大体积混凝土柱施工期温度场及温度应力分析 ( 1 #和 5 # ) 的温度最低 ， 而是 4 #测点温度 最低 ， 这 是因为 销 测点 以下混凝土与二层楼 面接触 ，进行 了大量的热对流 ．使得 4 #测点及 以下混凝土温度 降低的较快。④每个混凝土柱内部温度最高的2 # 测点 和温度最低 的 4 #测点之间 的温差 较大 ．其 中 2 #柱 温差 最大 ， 其 最大 温差 达 到 4 1 ． 1 ℃( 见 图 3 ) ， 这 对混凝土抗裂非常不利。 j 4l lj 赠 斗 < 嘣 导 赠 图 3 2 #柱 最 大 温 差 变 化 规 律 3 ． 2 数值模拟结果 3 ． 2 ． 1 模型的建立 根据实际结构的大小 ， 建立了尺寸为 2 2 0 0 m inx 2 2 0 0 mm~ 5 3 0 0 mm的模型 。柱子表面设置与空气对 流 ， 柱子底面加约束 ， 如图 4 。有限元模型单元选取 三维温度单元 S O L I D 7 0 ( 八节点六面体温度单元 ) ， 实际划分单元数 1 2 1 6 、 节点数 1 6 2 0 ， 并采用瞬态温 度场分析方式 。 图 4有 限 兀 分 析 模 型 3 ． 2 ． 2 施加荷载并求解 A N S Y S中混凝土水化热 的施加是利用其 内部 生热率函数 HG E N，可通过水泥水化热公式求导得 到。混凝土水化热公式很多 ， 如采用指数模式[3 1 ： Q( t ) = Q o ( 1 一 ) ( 1 ) 则生热率为 ： HG E N= W ： WmQ 。 e ( 2 ) Q ‘ 式中： p( ) 为时间 时混凝土的累计水化热 ， k J ／ k g ； Q 0 为 2 8 d水化热 ， k J ／ k g ； W 为单位体积混凝土用 量 ， k g ／ m ； 为龄期 ， d ； m为常数 ， 与水泥品种 、 浇筑 温度等有关 ； G E Ⅳ为混凝土生热率 ， W／ m 。 A N S Y S命令流如下 ： * D O ， i ， 1 ， T!利用 D O循环语句求解瞬态温度场 H E A T = !求出生热率 B F E ， A L L ， HG E N ， ， H E A T !对单元施加生热率 T I ME， t! S O L V E !求解温度场 * ENDDO 3 ． 2 ． 3 求解 结果 利用 A N S YS求解后 ， 通过时间后处理器分析 ， 可 以得到柱子中心点 1 1 7 9号点的温度随时间变化 的图像 ( 图 5 ) ， 并输 出所有时刻温度 ， 以便与实测数 据 进行 对 比 。 图 5 柱子中心点温度模拟结果 3 ． 3 结 果 对 比 A N S Y S模拟中的入模温度 、 大气温度等参数与 4 #柱子一致 。 因此选取 4 #柱子中 2 #测点与模拟结 果进行对比， 对 比结果见图 6 。 赠 图 6 结 果 对 比图 从 图 6可看 出 ，模拟所得 结果 比实测数 据要 高 ， 这是 因为柱子中有一部分纵筋及箍筋 ， 这些钢 筋吸收了一部分水泥的水化热， 从而导致实际温度 值偏低 。通过计算可得到施工期前 6 d最高误差为： ： 1 0 0 ％： 6 ． 7 1 ％ 1 实测 ( 3 ) 一 77一 ∞ ∞ 加 ： 2 m 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 9期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 1 期 从而可以认为 ， 所用模型算法可以估计大体积 混凝土施工时水化热引起的温度场变化 。 在 图 6中第 7 d时， 实测数据下降较快 ， 和模 拟 出的平滑下降 曲线不一致。这是 因为在实 际工 程 中 。 浇筑后第 7 d时空气温度下降较大 ， 最低温度降 到 2 ℃，有限元模型中没有考虑 ，所以图 6中第 7 d 后 出现温度 不一 致现象 。 4温度应 力分 析 根据文献[ 4 ] 和文献[ 5 】 ， 大体积混凝土可以通过 混凝土 中的温度和温度差来推算混凝土 中的最大 温度应力 ． 根据推算结果可以大致分析出混凝土 中 是否产生由温度差过大引起的裂缝 ， 从而提出施工 工艺方 面 的改进 措施 。 最大温度应力的计算公式如下 ： =O ． 1 1 2 5 E T o ( 1 - v ) ( 4 ) To = — ( 5 ) 式 中 ： 卜弹性模量 ， 取 3 ． 4 x 1 0 ； —— 混凝土温度线膨胀系数 ， 取 1 ． 0 x l 0 ； ，广 混凝土内部最高温度 ； —— 混凝 土表 面温度 ： 混 凝 土泊松 比 ， 取 0 ． 2 。 利用测得的温度数据 ， 由式( 4 ) 和式 ( 5 ) 计算可 得 ，四个柱中混凝土的最大温度应力 ‰依次为 ： 1 ． O 2 8 2 N／ mm 、 1 ． 2 5 7 7 N ／ mm 、 0 ． 9 9 4 5 N／ mm2和1 ． 1 4 7 5 N／ mm 。 5裂 缝分析 根据 G B 5 0 4 9 6 — 2 0 0 9 ，可以按 下式 计 算混 凝土 早期抗拉强度 ： ( )= ( 卜e 叫) ( 6 ) 式 中： ． ( t ) —— } 昆凝土龄期为 t 时的抗拉强度标准 值 ． N ／ mm 2 ： ． —— 混凝土抗拉强度标准值 ， N ／ mm 2 ； —— 系数 ， 应根据所用混凝土试件确定 ； 当无 试 验数 据 时 ． 可 取 0 - 3 。 混凝土防裂性能可按下式进行判断 ： ～ ≤ 入 ． ( t ) ／ K ( 7 ) 式 中 ： K ——防裂安全系数 ， 取 1 ． 1 5 ； 入 ——掺合料对混凝土抗拉强度影 响系数 ， 根 据本工程混凝土所用掺合料 ， 取 k = l 。 由式 ( 6 ) 和式( 7 ) 计算得到： 、 入 ． ( t ) ／ K = 1 ． 0 3 5 8 N ／ mm 结合式 ( 4 ) 计算得到的 ‰可知 ， 2 #柱和 柱 一 78一 中的 不满足式 ( 4 ) 的要求 ， 即不满足规范 中抗 裂性能要求 ， 也就是在这两个柱子 内部施工阶段 可 能会 出现 裂 缝 。所 以 必 须采 取 一 定 的施 工 改 进 措 施 ， 控制大体积混凝 土柱 内外温度差 ， 尤其是要将 混凝土中最大温差控制在 2 5 c C 以内。 从而减小温度 应力 ， 防止产生温度引起的裂缝。 6施 工工艺 的调 整措施 ( 1 ) 控制 浇筑 温 度 。通 过 调整 混 凝 土配 合 比或 添加外加剂 ， 如掺入冰水等 ， 来降低混凝土的入模 温度 。 ( 2 ) 布置冷却水 管。本工程在施工过程 中没有 布置冷却水管进行混凝土降温 。 从而导致局部温度 升高过快 ， 内外温差过大。所 以应布置冷却水管 ， 以 降低混凝土内部水化热的热量。 ( 3 ) 加强保温措施。温度裂缝产生的原 因是混 凝土内外温差过大。一方面可以通过降低混凝土 内 部 温度 减小 温差 ， 另一 方 面可 以对 表 层 混凝 土 进 行 保温 ， 比如在模版内壁采用泡沫填充的方法等。 7结语 大体积混凝土水化热 弓 I 起的温度应力是结构 初期产生裂缝的重要原因。本文通过分析某实际工 程 中大体积混凝土柱浇筑后的温度变化规律 ， 得 出 水化热升温的基本规律 ， 并分析 了柱子 内外最大温 差的变化规律 。利用 A N S Y S软件对浇筑过程进行 模拟 ， 得到了混凝土水化热温度场 。将 实测数据与 模拟结果对 比发现误差较小 ， 模型及算法可用于模 拟大体积水化热温度变化问题 。最后 ， 根据实测温 度 ， 使用式 ( 4 ) 计算得到混凝 土内部 的最大温度应 力 ． 并对施工工艺提出了改进措施 。 参考 文献 ： [ 1 】 朱伯芳． 大体积混凝土温 度应力与 温度控制[ M】 ． 北京 ： 中 国电力 出版社． 1 9 9 9 ． 『 2 1中冶 建筑研究 总院有 限公 司． G B 5 0 4 9 6 — 2 0 0 9大体 积混 凝 土施工规范【 S 】 ． 北京： 中国计划出版社， 2 0 0 9 ． [ 3 】 李立峰． 基于 A N S Y S的混凝 土水化热温度场读取 方法[ J ] ． 山西建筑， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 7 4 — 7 5 ． 【 4 】 王铁梦． 工程结 构裂缝控 制【 M 】 ． 北京 ： 中国建筑 工业 出版 社 , 1 9 9 7 ． [ 5 】 叶雯， 杨 永成． 大体积混凝 土施工温度监测 及温度应力 分 析[ J ] ． 混凝土， 2 0 0 8 ( 9 ) ： 1 0 4 — 1 0 7 ． 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 0 5 — 2 6 作者简 介 ： 李 志国( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 。 通讯地址 ： 江苏省苏州市高新 区滨河路 联系电话 ： 1 8 8 6 2 3 2 9 8 2 5 E - ma i l ： c j lu l z g @1 6 3 ． c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m