基于Ansys的大体积混凝土温度场有限元分析

郑思敏

（新疆玉点建筑设计研究院有限公司，乌鲁木齐830002）

混凝土水化时必然产生水化热，对于小体积混凝土，水化热较小同时比表面大，使得少量的水化热能够较快消散，而大体积混凝土水化热总量大且比表面小，水化热难以散去。容易产生不均匀的温度场和应力场，从而使混凝土产生裂缝。当大体积混凝土在夏季施工时，更加剧了混凝土开裂的程度。因此在大体积混凝土浇筑中有必要研究温度场对混凝土开裂的影响规律。在结构设计中，通常只考虑荷载（地震作用）产生的内力和变形，截面积尺寸和钢筋用量均是按照荷载效应确定。然而对于筏板、箱型基础等的设计，温度场的影响不可忽略。但是通常的构造配筋并不能保证按照实际情况配置，因此有必要充分掌握大体积混凝土的开裂规律。

该文利用大型通用有限元Ansys软件，研究了在温度场作用下的筏板基础温度应力场的分布情况，并探讨了减小裂缝的措施，以期为其设计提供参考依据。

1 工程概况与有限元模型

某超高层建筑总建筑面积81 200m2，4层地下室，底板采用筏板基础，厚1.5m。该文以筏板基础Ⅱ区的混凝土筏板作为研究对象，模拟混凝土浇筑期间温度对筏板的影响。由于施工工期紧，筏板在Ⅱ区的混凝土连续浇筑，浇筑期间砼的施工温度Tp＝34℃，浇筑初期筏板的垫层温度为30℃，当地日常均温Ta＝33℃。混凝土强度等级为C40，配合比见表1，其他参数参见限于篇幅不再叙述。施工期间在筏板基础中分上、中、下三部分埋设温度传感器，如图1所示。

表1 C40混凝土配合比

Ansys是一款通用的大型有限元软件，在热分析中，利用SOLID70单元来模拟筏板。地基与基础混凝土的热工参数见表2［1－5］。

表2 热工参数

2 计算结果分析

2.1 温度场分析

图2为测点1的计算结果，图3为测点的实际测量温度。由图2可知，筏板基础上部、中心和下部温度大体变化趋势相同，在前期由于水泥水化放热，温度均处于上升趋势，当在4d左右的时候，混凝土水化反应速率降低，水化热减小，因此筏板基础上部、中心和下部温度均降低。由于上部与外界大气接触，空气流动性强，所以温度始终最小，而前期中部温度要大于下部温度，3～4d后由于下部与垫层接触热量难以散去。

由图2和图3可知，实际测量的中部温度和计算的中部温度变化趋势和峰值基本相同，说明了模型的正确性。但是实际的变化图有比较明显的上下波动，主要是外界天气的影响。

筏板基础内外有较大的温度差，在3～4d时，其值达到最大，可知：在浇筑第3d左右内外温差出现最大值，差值为35℃左右。

图4和图5分别为筏板基础的第3d和第36d的应力云图。由图2～图5可知，大体积混凝土筏板的温度裂缝在升温和降温阶段均会产生裂缝。在升温阶段，混凝土内部受压，内外温度差较大，从而产生温度应力致使混凝土表面产生温度裂缝。在降温阶段，混凝土主要产生收缩变形。但是由于筏板基础受到周围土体的约束，筏板基础在内部拉应力的作用下产生温度裂缝。

2.2 截面应力结果分析

图6和图7分别为筏板基础在不同时期X向和Y向的剖面温度应力云图。由图6和图7可知，对于同一断面的筏板基础，由于受到内外温差的影响，其上下表面拉应力均较大。

在不同的时期，混凝土内部受力比较复杂，前期升温阶段筏板内部受热膨胀受到外部混凝土的限制，致使内部产生压应力，外部受拉从而导致外部开裂。而在后期降温阶段主要是拉应力起主导作用。

3 裂缝的控制措施

影响混凝土开裂的因素有很多，例如材料本身的收缩，温度，湿度，荷载等。针对影响各种因素有不同的措施，该文重点讨论温度裂缝控制措施。

大体积混凝土温度裂缝主要是内外部的温度不同，从而导致混凝土开裂。因此合理控制内外温度差，是解决温度裂缝的途径。温度裂缝控制的措施有：

混凝土水化热是产生裂缝的根本原因，因此可以合理选择低水化热的水泥材料，例如火山灰水泥、矿渣水泥等低水化热的水泥。

在选用高水化热的水泥时，可以根据情况适量添加活性材料，例如粉煤灰，矿渣等。

选用合适的外加剂，例如减水剂，引气剂等。

大体积混凝土分层分段浇筑。

合理配置构造筋：混凝土产生裂缝的根本原因是由于混凝土的抗拉强度低，因此在筏板容易出现拉应力的地方配置合理的钢筋，理论上就可以控制裂缝的开展。由于混凝土内部在是升温阶段，内部出现压应力，降温阶段出现拉应力但是较小，所以大体积混凝土内部从温度方面考虑，就无需配置温度构造筋。筏板基础上下表面会产生较大的拉应力，因此在混凝土的上下表面要配置合理的构造筋限制裂缝的开展。同时，可以根据不同的部位采用不同的钢筋率，以达到经济合理的目标。

4 结 论

a.筏板基础在混凝土浇筑前期温度升高较快，在3～4d，达到峰值，后期降温趋势平缓。

b.筏板基础上部、中心和下部温度变化趋势相同，但是有温差。上部温度始终较小，中部温度前期大后期小于下部温度。

c.筏板基础升温阶段内部产生压应力，后期降温阶段内部产生拉应力。

d.通过实测和计算结果可知，验证了有限元模型的正确性，利用Ansys软件分析大体积混凝土温度场作用下的力学性能是可行的。

［1］ 徐鹤山.ANSYS在建筑工程中的应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］ 东方人华.ANSYS7.0入门与提高［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［3］ 郝文化.ANSYS土木工程应用实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.

［4］ 李黎明.ANSYS7.0有限元分析实用教程［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［5］ 王一凡，宁兴东，陈尧隆等.大体积混凝土温度应力有限元分析［J］.水资源与水工程学报，2010，21（1）：109－103.