大体积混凝土施工过程中的温度场监测及仿真分析.pdf

大体积混凝土施工过程中的温度场 监测及仿真分析 M o n i t o r i n g a n d S i mu l a t i o n An a l y s i s o f Te mp e r a t u r e Fi e l d d u r i n g M a s s Co n c r e t e Co n s t r u c t i o n 张学伟 高健 夏 飞 黎奎奎 上海建工集团股份有限公司技术中心上海 2 0 0 4 3 1 摘 要 ： 采用全数字式测温系统及温度传感器，对底板大体积混凝土施工过程中内部温度场的发展趋势进行了实时监 测，同时选取具有代表性测温轴上若干测点研究其温度 一 时间变化曲线。并运用有限元分析软件对混凝土内部温度场 进行仿真模拟计算 ，在与实测值比较分析后 ，得出了计算曲线能够很好的模拟大体积混凝土 内部温度场发展走势的结 论。该结论可供相关大体积混凝土测温工程参考。 关键词 ： 大体积混凝土 施工过程 温度场 监测 仿真分析 中图分类号 ： T U 7 5 5 文献标识码 B 【 文章编号 】 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 4 4 7 0 3 大体积混凝土作为高层建筑及大型构筑物基础底板的 筑造形式 ， 已经广泛存在于工业与民用建筑之中 。由于混 凝土水泥水化反应放 出大量的热量不能及 时散失，往往导 致在浇筑初期 ， 内部温度高于表面至少 2 5。 C 以上圆 ， 使内 外形成较大的温度梯度 ，并在外部约束下使混凝土内部产 生温度应力， 一旦温度应力超过其抗拉强度 ， 混凝土就会产 生不同程度的裂 。因此规范 规定 ， 混凝土浇筑时内外 温差不宜超过 2 5 c 】C 。 故在大体积混凝土浇筑过程中 ， 温度场监测是施工的 重要环节 ， 也是防止温度裂缝的关键四 。以上海月星环球商 业中心 四区主楼底板大体积混凝土为研究对象 ，对其施工 过程中混凝土内部温度场进行实时监控 ，同时利用有限元 软件进行模拟仿真计算 ，对比分析其 内部温度场随时间走 势的变化规律。 1 工程概况 上海月星环球商业 中心 四区主楼大底板成矩形布置， 面积为 3 0 8 3 m ， 基坑最大开挖深度近 2 6 0 m ， 底板厚度为 3 5 m ， 局部厚度达 8 4 m ， 底板项面标高为 一 1 7 O丌 1 。混凝 土标号为 C 3 5 、 抗渗等级为 P 8 ， 其配合比见表 l 。本工程主 楼底板一次性浇筑完成 ， 混凝土总方量达 1 1 0 0 0 m 3 左右 ， 属于大体积混凝土范围。 作者简介： 张学伟( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士研究生。 作者地址： 上海市江杨南路 1 6 4 6 号( 2 0 0 4 3 1 ) 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 1 9 表 1 C3 5混凝土 的配合 比 材料名称 品种规格 密度 ( k g m ) 配合 比 备注 水泥 P O 4 2 5 l 8 5 1 矿粉 $ 9 5 1 【 ) 7 O _ 3 7 混凝 土强 度 粉煤灰 F I I 8 2 O -2 8 等级 为 水 饮用 l 8 4 O 6 3 C 3 5 P 8 R 9 0 ； 砂子 中砂 7 4 7 2 5 6 等效 水灰 比 石子 5 - 2 5 1 0 5 8 3 6 2 为 0 4 5 。 外加剂 S Q 一C 7 0 1 4 5 0 0 1 5 膨胀剂 S Y C 3 2 O 1 7 2 监测系统 2 1 系统简介 测温系统采用上海建工集团股份有限公司技术中心 自 主开发的“ 大体积混凝土温度无线监测系统” 。该系统采用 全数字式方式对大体积混凝土水化过程 中温度场变化状况 进行监测 ， 掌握混凝土的温差波动情况( 图 1 ) 。测温传感器 采用美国达拉斯公司生产的 D S 1 8 B 2 0 数字式温度传感器。 “ 大体积混凝土温度无线监测系统” 配合 D S 1 8 B 2 0数字 温度传感 器， 已成功应用于 闵浦大桥承 台、 珠江城大底板、 沈 阳茂业大厦、上海虹桥交通枢纽等大体积混凝土测温工 程， 可靠性高。 2 2测温点布置 测温点的布置原则为 ：能反映整个大体积混凝土的温 度场及温度变化规律 ； 温度梯度大的地方测点布置相对密 ， 反之温度梯度小的地方测点布置相对较稀。 根据以上原则以及本工程底板的形状 ，混凝土底板总 共布置 8根测温轴( 图 2) ， 每根测温轴沿轴竖向布置 了问 建 筑 施 工第 3 4 卷第 5 期 f 4 4 7 图 1 监测系统工作 结构 距为 1 m左右的若干测点( 图 3 ) ， 共 5 4个测温点。其中在 混凝土养护期间， 混凝土表面( 保温层下面 ) 布置 2 个测点， 在基坑外设立 1 个大气环境温度监测点，以利于更准确地 反应 出混凝土基础的温度场分布情况及大气 、表面和内部 的温度梯度。 ； J 、 一 苜 曹 匡 E L Z - J 、 l t r _ 图 2 测温轴平面布置 图 3 轴上测点的布置 3 有限元仿真分析 3 1 参数计算 模型中涉及到基础混凝土和地基土，其参数计算及取 值见表 2 。 表 2 有限元分析参数计算 参数 基础混凝土 地基土 p ( 1【 g ， m ) m F 2 4 O O 1 8 0 o ， k J ( m h ： 】 0 l 1 5 3 7 1 0 6 c 4 k J ( k g o C) 0 - 午 0 9 6 4 0 8 3 6 h k a l ( h m ) h + h F 5 2 + 3 2 v= 3 0 8 | a| c o =O O O 4 7 8 ， Q 哪 C k ， 印 = 3 7 3 2 瞬态热分析原理 大体积混凝土浇筑后 ，其内部温度场随时间的变化大 体可以分为 A 、 B 、 C三个阶段。A为有内热源阶段 ， 即水化热 发生阶段， 一般持续一个月左右； B 为无热源阶段， 混凝土 的温度随 着其内部热量的逐渐散发而降低 ； C为随气温 变 化而周期性变化阶段。大体积混凝土温度控制主要是在 A 阶段 ，在此阶段混凝土内部的温度是一个随时问和位置变 化的瞬态的有 内热源的温度场 ， 其热传导方程如下： 磬 + + q ( t ) ： 盟 ( 2 ) Q ( t ) = 0 o ( 1 一 ) ( 3 ) 将式( 2 ) 、 ( 3 ) 带入式( 1 ) 得 ： ： v z + _盟 m ( 4 ) CP 。 。 Cp 将计算的相关参数带入该方程得 ： = 0 0 0 4 7 8 v 1 4 0 2 2 e ( 5 ) 3 3 仿真分析 我们采 用 M I D A S g e n软件进行建模分析 ，混凝土底板 及地基的实体分析模型见图 4 、 图 5 。共有 2 8 个计算步骤 ， 时间 间距 前密后长 。热传导 分析所 需的 时间离 散系 数 ( T e m p o r a l D i s c r e t i z a t i o n F a c t o r )为 0 5 ( C r a n k - N i c o l s o n 法 ) 混凝土浇筑时间为 7 月中下旬， 初始温度定为 3 0 c C ； 单元应力输出位置为高斯点 ，即将高斯点应力作为节点应 力输 出； 考虑混凝土的收缩徐变 ， 用一般 的方法计算 ， 结束 迭代计算的收敛条件为最大迭代次数为 5 次，收敛误差为 0 0 0 1 ； 分析 时考虑混凝土 的等效材龄和温度 考虑结构 白 重 ， 自重系数为 一1 。 图 4基础分析模型 图 5地基分析模型