大体积混凝土基础底板温度及应力场模拟

侯景鹏，张艺骞，陈 群

(1．东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012;2．国网山东省电力公司胶州市供电公司，青岛山东266300)

大体积混凝土基础底板正在被广泛应用，其设计和施工技术都有了重大的进展，可是还有许多技术问题急需处理［1～2］．例如在一些工业建筑中大体积混凝土基础底板温度裂缝控制问题［3～6］．

水工领域中的大体积混凝土温度控制理论发展较为迅速，已经有了较为完善的理论基础，可水工结构与建筑结构区别较大，大体积混凝土基础承台工程具有一定的特殊性，其温度裂缝控制理论不够完善，处在理论与经验结合运用的阶段，所以通常工程师只能根据自己的施工经验进行施工［7～8］．因此，现在工程师急需一种能够模拟大体积混凝土基础底板温度场的方法［9］，减少温度裂缝，用以指导工程实践．

1 工程概况和测温方案

1.1 工程概况

该工程为朝阳热电新建工程，底板施工所包括的施工任务:基础(包含垫层)、框架柱、池壁等组成．汽轮机基础底板南北方向长13．8 m，东西向长28．95 m，高2．3 m．

底板采用斜面分层浇筑方法，每层浇筑厚度小于400 mm．混凝土浇筑完成后应尽快用两层薄膜加三层棉毡保温覆盖，然后浇水保湿养护．底板为C35混凝土，配合比如表1所示．

表1 C35混凝土配合比

1.2 测温方案

汽轮机基础上留设9组测温布置点，每组包含3个测温点，依次位于距混凝土底部50 mm处，中部和距上表面50 mm处，共27个测点，如图1、图2所示．利用PX－2型混凝土普通测温计进行测温，现场专人值班测温，每天测温12次，连续测量两周．大气中布设4个测点来测量四周空气温度．

图1 测温点位示意图

图2 测温点竖向布置图

2 温度分析

2.1 计算模型

用有限元软件Ansys进行分析，对基础底板及其下部地基土进行等比例建模，根据对称性，取承台的1/2建立模型;地基土长40 m，宽30 m，高5 m．混凝土单元选择Solid70，采用映射网格划分．瞬态传热问题所用材料具体参数，如表2所示．

表2 材料热特性数据

Ansys中用生热率HGEN函数来计算混凝土绝热温升:

式中:Qh(t)为混凝土生热量，kJ;HEGN为混凝土生热率，kJ/(m3·h)．

2.2 荷载施加及计算

大气与混凝土底板表面相接触，属于第三类边界条件;混凝土下表面与地基土直接接触，接触面温度相同且进行热传导，属于第一类边界条件．

混凝土浇筑温度28℃，环境平均温度20℃，地基温度17℃，环境温度施加于混凝土底板表面．把水化放热速率施加于混凝土底板上来模拟水泥的生热反应．确定计算时间为10 d，子步取 0．5 d．

2.3 结果分析

由图3实测值可以看出，最高温度出现在第3天，底板中心温度为73℃，下部温度为58℃，表层温度为48℃．底板中部温度与表层温度最大差值为25℃，有产生裂缝的危险．对比实测与模拟温度可见，底板中心的实测温度与模拟温度发展趋势一致，温度峰值同样出现在第3天，模拟值为70．9℃，比实测值低 2．1 ℃，相差 2．9%．

图3 基础实测与模拟温度

如图4所示，在升温阶段，中部混凝土升温幅度最大，两天升温达14．1℃，平均每天升温7．05℃，下部次之，底板上表层升温幅度最小．如图5所示，在降温阶段，中部混凝土降温幅度最大，四天降温9．2℃，平均每天降温2．3℃;上部混凝土次之，四天降温9℃，平均每天降温2．25℃;底部混凝土降温幅度最小，四天降温5．35℃．如图4、图5所示，升温速率高于降温速率，基础底板最高温度出现在中心处．在降温阶段，基础底板上表层混凝土与中部混凝土最大温差为25℃，超过规范的要求．

如图4、图5所示，底板上表层温度最低，底部较高，中部温度最高．这是因为顶面与周围空气为对流传热，热量散失快，温度降低的也快．底面混凝土与地基土直接连接，一些热量被土壤直接吸收，热量散发与顶面相比较慢．所以，应注意上表层混凝土的保温，减小上表层与中部混凝土的温差．

图4 升温阶段基础中心沿厚度方向变化

图5 降温阶段基础中心沿厚度方向变化

3 应力分析

3.1 荷载施加及计算

混凝土热应力问题是温度场和应力场之间的相互作用，是耦合场分析的问题．通过Ansys运用间接法先进行热分析，然后把得出的节点温度作为体荷载施加到应力分析中［10～12］．

本文采用间接法进行分析［13］．热单元Solid70转变为应力单元Solid45，定义随龄期变化的混凝土弹性模量，混凝土早期弹性模量增长可用复合指数公式描述:

式中:E(t)为不同龄期的混凝土弹性模量，GPa;E0为混凝土当t→∞ 时的弹性模量，根据实验资料，C35混凝土可取31．5 GPa;t为龄期，天．

确定边界条件:汽轮机基础底面与地基土接触处施加固结，其余面自由．最后，导入热分析的结果进行计算．

3.2 结果分析

图6 承台温度应力变化

图8 承台温度应力等值线

如图6、图7所示，底板上表面和底面为拉应力．上表面拉应力增长缓慢，在第七天产生最大拉应力，其值为2．3 MPa．底板下表面与地基接触边缘拉应力增长较快，应力从混凝土凝结开始就已超过混凝土极限抗拉强度，应注意基础部位的养护．由于底板上表层和底层在早期水化过程中受拉应力，所以要加强这两个部位的配筋，以抵抗混凝土底板的收缩变形．此外，为防止大体积混凝土因水化热而产生裂缝，需选择适当的混凝土配合比［14～15］，选择水化热低的水泥，良好级配的粗骨料，减少水泥用量，保证混凝土强度的条件下多掺加粉煤灰．

4 结 语

(1)基于混凝土水化放热模型构建了三维有限元模型，选择合理参数对混凝土水化热进行有限元模拟．

(2)底板内部温峰出现在浇筑后第3天，中部温度最高，达到73℃．实测与模拟出现最大温升的数值基本相同，均是在3天达到最大值，误差到2．1℃．

(3)基础底板升温速率大于降温速率，上表层与中部混凝土降温速率较快．为了减小上表层与中部混凝土的降温速率，减少混凝土收缩与温度裂缝，应做好保温措施．

(4)模拟得出了混凝土底板上表层与底部应力随时间的变化情况．其中底部与地基接触边缘处一开始就已超过极限抗拉强度，上表层最大拉应力在第七天达到最大值2．3 MPa．所以，底板上表层与底部应加强配筋，减小混凝土的最大拉应力．

参考文献

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