补偿收缩混凝土浇筑温度有限元分析

王双娇

摘要：为了研究大体积补偿收缩混凝土浇筑中的温度应力分布特点，以汉秀剧场的中央表演水池混凝土浇筑为原型，结合现场试验数据建立了合理的ABAQUS有限元模型。模拟结果表明水池底板开始浇筑时，最大温度发生在底板与柱子的交接处，随着时间的推移，底板产生的水化热对板下支撑的温度应力影响越来越小。水池侧壁温度表现为沿墙厚方向，中心温度高，表面温度低。有限元模拟的混凝土浇筑时间与温度曲线与试验数据吻合较好，表明本文采用的材料参数、水化热加载方式、以及有限元模型具有较好的精度，可为后续对补偿收缩混凝土浇筑温度研究提供依据。

关键词：补偿收缩混凝土；混凝土浇筑温度；水化热；有限元模拟

中图分类号：TU375，TU398 文献标识码：A

Finite element analysis of temperature of shrinkage-compensating concrete during construction

WANG Shuangjiao1

（Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute co.ltd，5th design institute，Guangzhou，510000，China）

Abstract：In order to study the temperature stress distribution of massive shrinkage-compensating concrete during construction，Concrete casting process of Central performance pool in Wuhan theatre as the prototype，combining with the test data to establish the reasonable ABAQUS finite-element model. Simulation results show that the maximum temperature occurs in the junction of the bottom plate and a column when started. With the passage of time，the heat of hydration produced by concrete casting has less and less influence on the temperature stress of the supporting part under the plate. The temperature of the side wall of the pool is in the direction of wall thickness，with high center temperature and low surface temperature. The time and temperature curves of concrete pouring simulated by finite element method agree well with the test data. The results show that the material parameter，the way of Hydration heat to load and the finite-element model are reasonable. It can provide a basis for the subsequent research on the temperature of shrinkage-compensating concrete during construction.

Key words：Shrinkage-compensating concrete；Concrete placement temperature；Hydration heat；Finite-element simulation analysis

1、工程概况

武漢中央文化区秀场工程——紧邻六星酒店，地块呈扇形，地上为独立建筑，地下与紧邻的六星级酒店及规划中的地铁连通，外形为红灯笼造型，观众厅大堂为三层。秀场的建筑高度约70米，总建筑面积8.6万㎡。

中央表演水池是汉秀剧场的一大亮点，总储水量达到10443.1方。其池底标高为-10.25m，池顶标高为-0.15m，池底为1.0m厚的钢筋砼抗渗楼板，平面面积约为1228平米，周边池壁为1.0m厚的钢筋砼抗渗墙体，墙体总长约287m。池壁和底板均采用C40P10补偿收缩混凝土，水池高：10.1m。池底楼板混凝土用量：1228 m3，池壁混凝土用量：2870 m3。

2、混凝土浇筑特点

本工程的水池底板、侧壁大部分为1.0m厚，属大体积混凝土。大体积砼因散热降温引起的冷缩比干缩容易引起开裂，为了控制混凝土浇筑时温度应力的产生。材料采用武汉华新水泥厂股份公司总厂生产的低碱低热P.O 42.5强度等级的水泥，细骨料采用岳阳出产的中粗河砂。底板采用一次浇注，不留施工缝。底板及侧壁混凝土中掺加适量高效多功能复合防水剂做成补偿收缩混凝土，添加剂具备防水、减水、缓凝、微膨胀、降低混凝土水化热及减少收缩等功能，且在施工前应作相溶性及配合比试验。

3、混凝土浇筑现场监测试验

3.1 测点布置

本次监测共选取有代表性的截面6个，每个截面布置3个测点，位于墙边源（模板内侧）2个，墙体中部1个，其中1-1截面测点距底板1米，2-2、3-3截面测点距底板4米，见图3.1。

4、补偿收缩混凝土浇筑ABAQUS有限元分析

4.1 材料属性选取

4.2 模型建立

4.2.1建模条件

1.建模：考虑水池以下的墙、柱，水池底板以及水池侧壁

2.分析步：选用温度-位移耦合，在荷载和相互作用中输入上表中相应需输入的参数。

3.单元：为温度-位移的计算单元C3D8T（八结点热耦合六面体单元），网格划分为10m一个单元。

4.边界条件：混凝土柱与水池底板边缘为固定端。

5.荷载：混凝土的水化热产生的热量，由体热通量的形式输入。qv=5220e-3t/80 kJ/m3·h。

6.材料：对流交换系数在拆模前取15 kJ/（m2·h·°C），拆模后仍取30 kJ/（m2·h·°C）。

4.3 模拟分析

4.3.1 计算模型一（考虑水池底板与柱）

由图4.1可见，底板浇筑初期，最大温度发生在水池底板上部板与柱子的交接点，最大温度为40度，最大应力发生在边缘，考虑到边界有一定的简化，应力仅供参考。

4.3.2 计算模型二（水池底板与0.5m侧壁一次性浇筑）

1.取分析步时长为100步，代表100h。

2.模拟结果分析

图4.2中绿色部分温度为水池底板，从图中可以看出，底板浇筑完成时，底板表面温度均在一个相对恒定的温度下，最高温度为48度，位于板的中心处。

图4.3左侧为龄期36h时水池底板内温度平剖图，图中褐色部分为48度，主要集中在水池底板中部，黄色部分底下有支承的墙或柱，温度较低。图4.3右侧为地下2层墙、柱温度云图，从图中可看出，受到上部水化热影响的区域仅为一个单元格，即1m不到的高度范围，温度变化不大，随着底板的浇筑，其混凝土浇筑的水化热对下部支撑的温度影响越来越小。

4.3.3 计算模型三（水池底板与0.5m侧壁一次性浇筑+剩余侧壁一次性浇筑）

1.考虑水池以下的墙、柱，水池底板以及水池侧壁，下部结构与模型二相同，增加了水池周边8m的墙体。

分析步：第一阶段，时间72h；第二阶段，时间168h，共计240h。

荷载：水化热。第一阶段，先考虑水池底板加上0.5m高水池侧壁的水化热，持续时间3天（72h）；第二阶段，考虑侧壁剩余8m高墙体产生的热量，上一阶段剩余水化热仍继续考虑。

2.模拟结果分析

由于条件相同，0～72h的结果，与模型二模拟结果一致，底板面中心温度最高，温度为48度。

剩余侧壁浇筑温度分析结果如图4.5，由图可见，水池外墙温度，沿墙厚方向，中心温度高，表面温度低；在t=108h时温度最高，最高为45度，位于各墙段的拐角处；外墙中间段最高温度为43度，各墙体段温度均相近。在墙上沿高度方向选取一墙段为一单元，其温度云图如图4.5右图所示，红色代表墙体中心，温度较高；蓝色部分为墙最上端，温度最低。

5、ABAQUS模拟与实测对比分析

1.ABAQUS模型二（水池底板与0.5m侧壁一次性浇筑）

ABAQUS建模模拟水池底板混凝土浇筑时间温度曲线和实测温度曲线对比如图5.1左，由圖中曲线可见，建模模拟的底板时间温度曲线与实测时间温度曲线吻合较好，大致趋势一致。可以依据此模型对水池混凝土底板浇筑中温度变化进行较合理的分析。

2.ABAQUS模型三（水池底板与0.5m侧壁一次性浇筑+剩余侧壁一次性浇筑）

ABAQUS建模模拟水池侧壁混凝土浇筑时间温度曲线和实测温度曲线对比如图5.1右，由图中曲线可见，建模模拟混凝土时间温度曲线与实测时间温度曲线在初期吻合较好，后期实测温度变化偏大，但大致趋势一致。可以依据此模型对水池侧壁混凝土浇筑中温度变化进行较合理的分析。

6、结论

本文以汉秀剧场的水池混凝土浇筑为原型，结合现场试验数据与ABAQUS有限元建模分析，对大体积补偿收缩混凝土浇筑中的温度应力分布以及温度随时间的变化进行了综合分析。主要结论如下：

（1）由模拟结果可知水池底板开始浇筑时，最大温度发生在底板与柱子的交接处，随着水池底板混凝土浇筑，其底板产生的水化热对板底下支撑的温度与应力的影响越来越小。水池侧壁浇筑期间，其侧壁温度表现为沿墙厚方向，中心温度高，表面温度低；

（2）采用ABAQUS软件分阶段模拟了水池混凝土浇筑，以温度-位移的计算单元C3D8T建立的有限元模型得到模拟的混凝土浇筑时间与温度曲线与试验数据吻合较好，表明本文采用的材料参数、水化热加载方式以及有限元模型具有较好的精度，可为后续对补偿收缩混凝土浇筑温度研究提供依据。

参考文献

[1]刘利先，赵广书，邓明康.高温下钢筋混凝土板温度场数值模拟分析[J].建筑科学，2018，34（11）：33-38

[2]刘亚基. 大体积混凝土浇筑块温度应力场仿真分析[D].昆明理工大学，2011.

[3]周志学. 大体积混凝土浇筑温度场的仿真分析[D].中南大学，2011.

[4]陈应波，李秀才，张雄.大体积混凝土浇筑温度场的仿真分析[J].华中科技大学学报（城市科学版），2004（02）：37-39.

[5]阎培渝，韩建国，曹丰泽，周予启.补偿收缩混凝土性能的影响因素与质量控制[J].施工技术，2018，47（16）：97-99.

[6]李梦希，孙志勇，侯明扬，张新龙，张国荣，邓毅.C60高性能补偿收缩混凝土配合比优化设计研究[J].混凝土世界，2018（06）：75-78

[7]赵远东.补偿收缩混凝土性能研究及在房建工程中的应用[J].建筑机械，2017（06）：102-105.

[8]胡阳. 大体积混凝土温度场的分析与研究[D].山东大学，2017

[9]黄泽钦，王培旭.大体积混凝土水化热温度应力裂缝控制的试验及有限元仿真分析[J].工程建设，2017，49（12）：24-29.

（作者单位：1.广州市市政工程设计研究总院有限公司设计五院）