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混凝土筏板基础水化热研究.pdf
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1、2 0 1 0 年 第 8 期 (总 第 2 5 0 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 5 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 1 I E0RETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 8 0 0 6 混凝土筏板基础水化热研究 吴献 ,回国臣 ,穆春龙 。 ,张黎黎 ,杨昆 。郎东莹 ( 1 沈阳建筑大学 土木工程学院,辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 ; 2 沈阳有色冶金设计研究院,辽宁 沈阳 1 1 0 0 0
2、 3 ; 3 东北大学 设计研究院 ,辽宁 沈 阳 1 1 0 0 1 3 ) ; 摘要: 随着我国高层建筑的兴起, 基础底板大体积混凝土结构在现代工程建设中广泛应用 , 其性能及施工技术已成为工程界研究关注 的热点之一 。 从实际工程出发 , 分析了在混凝土浇筑和 固化前期 , 水化热形成 的复杂的温度场 , 从 混凝土 2 8 d龄期 内水化热所形成的温度 场及相关计算方法论证人手 , 结合工程实例, 运用 A N S Y S 有限元软件计算温度场。 对高层建筑筏板基础大体积混凝土的温度场进行了热 分析, 仿真计算了筏板基础 2 8 d 龄期内的温度分布规律, 得到了实测及用计算方法预测的
3、温度场, 为实现温致开裂趋势评估和采取科学 的降温施工工艺提供了 依据。 关键词 : 大体积混凝土 ;水化热 ;筏板基础 ;温度场 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 1 6 0 5 St udy on c on c r e t e hy dr a t i o n h e at of r a f t f oun da t i on W U Xi a n , HUIGu o c h e rt2 , M U Chtm l o n gs , ZHANG LI 一 1 i , YANG Ku
4、 n1 , L ANO Do n g - y i n g ( 1 S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g , S h e n y a n g J i a n z h uUn i v e r s i t y , S h e n y a n g1 1 0 1 6 8 , C h i n a ; 2 S h e n y a n gN o n f e r r o u s Me t a l l u r g yDe s i g n a n d R e s e a r c hI n s t i t u t e , S h e n y a n g1 1 0
5、 0 0 3 , C h i n a ; 3 De s i gn a n d Re s e a r c hI n s t i tut eo f No r t h e a s t e rn U n i v e r s i ty, S h e n y a n g1 1 0 0 1 3 , C h i n a ) Abs t r ac t : Wi t h t h e ris e o f Ch i n a S hi g h- r i s e b ui l d i n g s , ma s s ive c o n c r e t e f o u n d a t i o n s l a b o f t
6、h e s t r u c t u r e o f t h e b u i l d i n g i n a wi d e r a n g e o f mo d e r n e n g l n e e r i n g a p pl i c a t i o ns , i t s p e rfo r ma n c e and c o n s t r u c t i o n e n g i n e e rin g t e c h n o l o gy r e s e arc h h a s b e c o me o n e o f the f o c us o f a t t e n t i o n
7、S t a r t i n g fi o m t h e a c t u a l p r o j e c t , a n ana l y s i s o f c o n c r e t e p o u r i n g and c u r i n g i n the e arl y s t a g e o f f o rm a t i o n o f h y d r a t i o n h e a t o f the t e mp e r a t u r e fie l d i n t h e c o mp l e x, i n t h i s p a p e r Th e a g e o f
8、2 8 d a y s f r o m t h e c o nc r e t e d u r i n g t he h y dra t i o n h e a t o f t h e t e mp e r a t u r e fie l d i s f o r me d a n d the me t h o d o f c a l c u l a t i n g s t a r ti ng arg u me n t , c o mb i n e d wi t b e n g i n e e rin g p r a c t i c e , t h e us e o fANS YS fin i t
9、 e e l e me n t s o ft wa r e , h i【g h ris e b u i l d i n g o n t h e r a ft f o u n d a t i o n o f m a s s c o n c r e t e t e mp e r a t u r e fie l d o f t h e r m a l an a l y s i s , t h e i n i t i a l s i mu l a t i o n ba s e d o n a r a ft d u r i n g t h e 2 8 d a y s o f a g e t h e t
10、e m p e r a tur e d i s t r i b u t i o n Th e t e mpe ratur e fi e l d i s g a i n e d f o r r e a l i z a t i o n o f t e mp e r a t u r e - i n d uc e d c r a c k i n g t r e n d a s s e s s me nt an d t h e d e v e l o pme n t o f s c i e n c e a n d c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o gy o
11、f c o n c r e t e c o o l i n g Ke y wor d s : ma s s c o n c ret e; h y dra t i o n h e a t ; r a ft f o un d a t i o n; t e mpe r a tur e fie l d 0 引言 近年来 , 我 国在建 筑设计 、 施工技术 等方面都有 了飞速 的 发展, 同时也出现了许多技术课题亟待解决 , 高层建筑基础底 板大体积混凝土的温度场就是其中之一【l 】 。随着计算机技术软 件的不断开发和应用 , 大体积混凝土温度场的数值模拟分析发 展很快, 用仿真分析的结果来指导大体积
12、混凝土设计、 施工和 管理, 可以有效控制温度裂缝的产生与发展。 1 工程 简介 沈阳某住宅工程, 地下 2 层 , 地上 7幢高层建筑, 框架剪力 墙结构, 基础形式为筏板基础, 基础底板面积 1 4 3 2 1 9 5 m2 , 混 凝土工程量约为 1 7 5 9 6 m3 。 基础底板厚度分别为: 裙房 0 9 m, 主体部分 1 5 m, 局部 1 3 m。 设计预留7条后浇带, 每条后浇带 宽度为2 m 。 本文对 I 区筏板基础进行混凝土水化热温度场监测, 该区混凝土筏板基础为 6 7 9 mx 2 1 7 mx 1 5 m, 见图 1 。 图 1 混凝 土筏 板 基 础 平 面
13、图 2 温度场的有限元计算 大体积混凝土结构施工期间受多种随机因素的影响, 主要 的可概括为两大部分 : 第一是边界温度和外部温度的随机性; 第二是材料参数随机性的影响。虽然影响大体积混凝土温度场 变化因素多, 但是仍然属于热传导问题。从理论上来说, 只要知 道初始条件及边界条件 , 建立起相应的热传导方程并进行求解 , 就可得到混凝土的温度场。大体积混凝土中热传导主要考虑水 泥水化热的影响, 它是随时间变化的数值, 显而易见属于不稳 定的温度场的范畴, 因此计算大体积混凝土的温度场的求解方 法主要有以下几种圆: ( 1 ) 理论解法, 主要用来求解边界条件比较简单的一维温 收稿 日期 :2
14、0 1 0 - 0 2 2 1 基金项 目:国家“ 十一五” 科技支撑计 划重大项 目( 2 0 0 8 B AJ 0 8 B1 1 - 0 3 ) ; 辽宁省教育厅科研项 目计划 ( L 2 O 1 O 4 5 8 ) 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 度场 。 ( 2 ) 差分解法, 是一种用差分代替微分的数值解法。 ( 3 ) 有限单元法, 是比较常见的数值解法, 它把求解区域划 分为有限个单元, 通过变分原理, 得到以节点温度为变量的代 数方程组 , 求解方程得到温度值, 解得的计算结果精度较高。 本文对有限单元法进行了简单的介绍。 2 1 热传导
15、方程 混凝土温度场的计算与求解。实际上是一个热学问题。分 析大体积混凝土温度场。需要根据当地气候条件、 施工方法及混 凝土的热学特性。 按热传导原理进行计算。 混凝土浇筑完成后, 在水泥水化热作用下。可以看成有内部热源强度具有瞬态温度 场的连续介质 其瞬态温度场的计算实质是三维非稳态导热方 程在特定边界条件下和初始条件的求解。导热方程为: O T A f a +a r+a I O 0 r 1 、 a r c p O x a a r 式中: A 导热系数, W ( m K) ; c质量热容 , k J ( k g K) ; r 时间 h ; p 密度 , k g m ; 混凝土的绝热温升, K。
16、 2 2 初始条件和边界条件 热传导方程建立了物体的温度与时间、 空间的关系, 但满 足热传导方程的解有无限多, 为了确定需要的温度场, 还必须 知道初始条件和边界条件。 初始条件为在初始瞬时物体内部的 温度分布规律, 边界条件为混凝土表面与周围介质( 如空气或 水) 之间温度相互作用的规律 , 初始条件和边界条件合称边值 条件( 或定解条件) 。 在初始瞬时, 温度场是坐标( , Y , z ) 的已知函数 r o ( x , ) , , z ) , 即当 T = 0时 : ( , Y , , O ) = T o ( x , Y , ) ( 2 ) 在相当多的情况下,初始瞬时的温度分布可以认
17、为是常 数, 即当r = O时: , , ,0 ) - T o =常数 ( 3 ) 大多数情况下 , 初始瞬时温度为常数, 也就是大体积混凝 土开始浇筑时的初始温度, 即混凝土的人模温度。 边界条件可用以下四种方式给出: ( 1 ) 第一类边界条件 混凝土表面温度 r 是时间的已知函数, 即: ( ) = ) ( 4 ) 混凝土与水接触时, 表面温度等于已知的水温, 属于这种 边界条件。 ( 2 ) 第二类边界条件 混凝土表面的热流量是时间的已知函数, 即: 一A 旦 r ) ( 5 ) a n 。 式中: , r一 表面外法线方向。 若表面是绝热的, 则有 : 0 a 凡 ( 3 ) 第三类
18、边界条件 基础底板类大体积混凝土的上表面通过保温层与空气相 接触的, 环境气温、 风速均为已知, 则空气的对流系数 a可以通 过经验图表得到。依据能量守恒定律的边界条件为: 当混凝土与空气接触时, 经过混凝土表面的热流量是 g : d n 第三类边界条件假设经过混凝土表面的热流量与混凝土 表面温度 和 气温之差成正比, 即: 一 A ( ) ( 6 ) On 式中: 表面放热系数 , k J ( m h ) 。 当表面放热系数 趋于无限时, , 即转化成第一类边界 条件。当表面放热系数 3 = 0 时, O T O n = O , 又转化为绝热边界条件。 固体表面在空气中的放热系数可用式( 7
19、 ) 、 ( 8 ) 计算 : 粗糙表面: =2 3 9 + 1 4 5 0 。 ( 7 ) 光滑表 面 : I 2 1 8 + 1 3 5 3 ( 8 ) 第三类边界条件表示了固体与流体( 如气体) 接触时的传 热条件。 ( 4 ) 第四类边界条件 当两种不同的固体接触时, 如果接触良好 , 则在接触面上 温度和热流量都是连续的, 边界条件如下 : : ,A 。 ( 9 ) d d n 如果 两 固体之 间接触不 良 , 则 温度是不连续 的 , 这 时需要 引入接触热阻的概念。假设接触缝隙中的热容量可以忽略, 那 么接触面上热流量应保持平衡, 因此边界条件如下: 式中: R 一因接触不 良
20、而产生的热阻, 由试验确定。 3 温度场的现场监测 3 1 水化热温度场监测 目的 大体积混凝土结构往往更容易产生裂缝 , 影响结构的外观 和耐久性。产生裂缝的原因很多 , 其中温度的影响往往占据主 导地位。作为裂缝控制的一个重要部分一现场监测 , 一方面起 着检验裂缝控制措施是否得当的作用, 另一方面又可以为裂缝 控制提供新的思路。由于温度应力的计算涉及很多因素, 主要 是温度场的变化很难确定 , 需要通过理论分析和实际监测相结 合来加以确定。 现场监测是施工控制的基础和重要组成部分。通过监测所 获得的各结构部位的温度数据资料, 是实施控制、 调整的主要 依据, 同时也是监测施工、 改进设计
21、、 确保结构施工安全的重要 手段3 - 5 。 监测水化热引起的温度场, 研究水泥放热规律 , 确定混凝 土内外温差和混凝土表面与气温的温差, 为避免温度应力可能 对结构产生的开裂等不利影响, 对大体积混凝土结构的温度场 进行监测是很有必要 的【司 。 3 2 温度监测仪器的选择与使用 根据工程的实际情况, 本工程采用 DS 1 8 B 2 0型号的温度传 感器, DS 1 8 B 2 0是 DAL L AS公司生产的一线式数字温度传感 】 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中部混凝土, 但温度下
22、降较慢 ; 底部混凝土由于和土壤接触 , 土 壤有一定的蓄热能力, 所以温度下降较慢。 ( 3 ) 基础内外温差。基础中部与外部温差最大为 1 9, 出 现在浇筑后 6 0 h后, 因混凝土表面采取了洒水降温处理 , 所以 温差均控制在 2 0以下。 ( 4 ) 温度一 时间曲线变化趋势。前期温升较快 , 水化热在浇 筑后 5 d内释放大部分的热量, 随后温度缓慢下降。 4 计算机仿真分析 大体积混凝土在施工过程中和运行期间, 在气温、 太阳辐 射、 自身水化热等复杂因素作用下, 混凝土温度变化较大 , 引起 较大温度变形, 当温度变形受到强制约束, 便会在混凝土内产 生较大的温度应力。要把这
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