超大体积混凝土分层一次浇筑施工与有限元分析★

冯喜俊　方光秀

(延边大学工学院，吉林延吉　133002)

超大体积混凝土分层一次浇筑施工与有限元分析★

冯喜俊方光秀*

(延边大学工学院，吉林延吉133002)

摘要:通过工程实例，应用斜面分层法，设计了超大体积混凝土分层一次浇筑施工方案，总结出混凝土表面贮水保温、保湿等施工措施，同时采用ANSYS软件，模拟分析了超大体积混凝土在浇筑过程中内外温度的变化，指出其模拟值与理论计算值较吻合，并提出了回归方程，为类似工程提供参考借鉴。

关键词:大体积混凝土，斜面分层，浇筑施工，有限元分析

我国GB 50496—2009大体积混凝土施工规范规定:混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1 m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。因为大体积混凝土要求分区段、分层进行浇捣，每施工分区段的体积厚大，使其在水泥水化热反应过程中，结构内部升温较快。

另外，混凝土是热的不良导体，散热的速度非常慢，超大体积混凝土经浇筑后，其内部的温度远高于外部的温度，有时甚至相差50℃～70℃，造成内部膨胀外部收缩，使外表产生很大拉应力而导致开裂［1-3］。为治理上述质量通病，研究超大体积混凝土的分层一次浇筑施工技术是一项重要课题。

本文针对超大体积混凝土的体积厚大且内外温差大的特点，设计分层一次浇筑施工，同时提出混凝土表面贮水蓄热保温保湿养护措施，并采用ANSYS软件进行有限元模拟分析。

1　工程概况

某工程主楼采用筏形基础，建筑层数为28层，如图1所示。筏基板厚为2.2 m，长宽为58.5 m×45.5 m，底板面积为2 662 m2。浇筑筏板混凝土工程量超过4 500 m3［4］，属于超大体积混凝土结构。

图1　筏板及超大体积混凝土浇筑施工示意图

2　超大体积混凝土一次浇筑设计

2.1斜面分层法

在实施斜面分层法时，每次浇筑工作面控制在3 m，混凝土分4层浇筑，向前推进的摊铺坡度控制在1∶2.5范围内，每层厚度为550 mm。斜面分层浇筑方式如图2所示。

图2　斜面分层浇筑方式示意图

超大体积混凝土分层一次浇筑施工流程与质量控制关键点如图3所示。

图3　筏基底板混凝土的浇筑施工流程与质量控制点

2.2允许浇筑的最大长度计算

弹性模量随时间的变化规律［5］:

式中: E( t)——任意龄期的弹性模量;

E( 0)——最终弹性模量，一般取2.6×104N/mm2;

t——混凝土浇灌后的天数;

α，β——经验系数，α=0.09，β=1。

混凝土极限拉伸值计算。

计算混凝土浇灌后30 d的极限拉伸值:

混凝土允许整浇最大长度计算。

由于h/L = 2.2/58.5≈0.038＜0.2，将式( 1)，式( 2)代入下式:

所以符合分区段及分层一次浇筑。

3　贮水池蓄热与保温及保湿养护

由于超大体积混凝土内部水化反应过快，出现大幅度内外温度差［6］，将产生温度应力，造成表面裂缝，所以其内外温度差是促成裂缝的主因。蓄热与保温及保湿养护的贮水池，如图4所示。在混凝土表面砖砌分格的贮水池尺寸为3 m×3 m×0.07 m，其贮水高度为0.05 m。经监测结果表明，贮水池可有效控制内外温差值而防止裂缝的产生。

图4　贮水池

4　 ANSYS有限元分析

4.1模型的建立及网格化分

大体积混凝土采用三维实体Solid70单元，钢筋采用Link8单元来建模。采用分离式共节点的方法建立有限元模型［7］，以x轴，y轴为对称轴，建立1/4结构模型，如图5所示。

图5　大体积混凝土1/4结构有限元模型

4.2材料基本参数及边界条件

文献［3］的强度随龄期变化的关系曲线表达式为:

式中: t——混凝土龄期，d;

Rf( t)，Rfo——t，28 d龄期的抗拉强度。

混凝土材料及其他参数如表1所示。

混凝土与土壤接触面属于第三类边界条件，取土壤温度为定值;在混凝土浇捣过程中的层接触面采用第四类边界条件。

4.3计算结果

4.3.1有限元结果分析

为避免提高混凝土的最高温升、内部蓄热，保温措施在3 d后进行，故本文只考虑混凝土浇筑3 d时的最高温升。其分析结果如图6所示。

表1　混凝土材料及其热特性值参数

图6　第3天浇筑节点热梯度分布示意图

从图6可知，浇筑第3天后，大体积混凝土内部温差将达到37.92℃，在混凝土中心位置将达到最大温度60.25℃，且出现较大拉应力，其值约为0.62 MPa。

4.3.2混凝土内部温度的计算

1)最高绝热温升值计算:

经估算可得大体积混凝土内部温度，如表2所示。

表2　大体积混凝土内部温度估算表

4.3.3对比分析有限元模拟值与理论计算值

模拟值与理论计算值的对比分析，如图7所示。

图7　有限元模拟值与理论计算值对比示意图

式中: W——水泥用量，取298 kg/m3;

Q——525号水泥的水化热，查手册［6］，取461 kJ/kg;

C——混凝土比热;

γ——混凝土的容重，一般取2 400 kg/m3。

2)混凝土中心最高温度计算:

式中: Tj——入模温度，3月上旬取26℃;

ζ——散热系数，查手册［6］，取0.63。

3)混凝土内部温度估算:

式中: Tb( t)——混凝土表温度;

h'——混凝土虚厚度;

λ——混凝土导热系数，取2.33 W/( m·K) ;

K——折减系数，根据试验取为0.67;

β——模板及保温层传热系数。

4)混凝土内部温度估算公式为:

由图7可知，有限元模拟值在混凝土内部中心处较为稳定，温度为最高，且范围较大;由中心向表面或地基方向，温度逐渐降低，且温度变化速率变快。理论计算值在混凝土内部中心处向表面或地基方向变化较为均匀。在距混凝土表面0 m～0.73 m，1.48 m～2.2 m的范围内，理论计算值基本上大于有限元模拟值，且差异较大;在范围0.73 m～1.48 m的范围内，理论计算值与有限元模拟值相近，且最大差值为5.48℃。

应用MATLAB软件进行多项式拟合，提出公式。

有限元模拟值方程: y =－4.48x2+27.21x +16.55。

理论计算值方程: y =－4.54x2+26.24x +23.54。

5　结语

1)应用斜面分层法设计超大体积混凝土分层一次浇筑施工，不留设施工缝或后浇带，较好地克服了超大体积混凝土厚度大不易浇筑、水化热温度高容易产生裂缝等质量通病。

2)贮水池蓄热与保温及保湿养护措施，有效减少超大体积混凝土内外温度差值，最高可达19.7℃，使混凝土内表温差控制在规定值范围内。

3)通过ANSYS有限元分析，混凝土在进行保温保湿处理之前，能达到较大温度值。通过与理论计算值比较，提出温度应力变化规律，模拟值与计算值较吻合，并提出回归方程，为类似工程应用提供借鉴。

参考文献:

［1］童育林.大体积混凝土裂缝控制研究［D］.重庆:重庆大学硕士学位论文，2004.

［2］李继业.新型混凝土实用技术手册［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［3］杨碧华，李慧强.早龄期大体积混凝土温度应力与裂缝的关系［J］.华中科技大学学报(城市科学版)，2002，19( 4) : 76-77.

［4］李彬彬.大体积混凝土温度应力有限元分析［D］.西安:西安建筑科技大学，2007.

［5］苏有文.大体积混凝土施工过程温度应力场检测及有限元分析［J］.浙江工业大学学报，2010，38( 4) :442-447.

［6］赵志绪.高层建筑施工手册［M］.上海:同济大学出版社，1991.

［7］王辉.大体积混凝土结构温度应力有限元分析［D］.西安:西安建筑科技大学，2010.

Layering a large volume concrete pouring construction design and finite element analysis★

Feng Xijun Fang Guangxiu*
( College of Engineering，Yanbian University，Yanji 133002，China)

Abstract:Through engineering examples，this paper used slant layered method to design the layering a large volume concrete pouring construction，at the same time used the construction measures such as concrete surface kept temperature and humidity，the ANSYS software simulation analysis of large volume concrete during casting internal and external temperature changes，the theoretical results of the simulated values fit well with the theoretical calculation value，and proposes the regression equation，provided reference for similar engineering.

Key words:large volume concrete，freehand shapes，pouring construction，finite element analysis

通讯作者:方光秀(1967-)，男，博士，教授

作者简介:冯喜俊(1989-)，男，在读硕士

收稿日期:2015-11-27★:延大土木工程建造技术教学资源库建设资助项目(项目编号:802014010)

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0093-04

中图分类号:TU745.4

文献标识码:A