高層建筑底板混凝土溫度場分析

楊長森

（青海新高度房地產(chǎn)投資有限公司，青海 西寧 810000）

在高層建筑中出現(xiàn)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的部位主要是基礎底板。這種底板的面積較大，厚度也在80 cm以上，最厚處可達5～6 m。基礎底板澆筑后，在內(nèi)部水化熱和外部環(huán)境溫度變化的影響下，混凝土結(jié)構(gòu)各處溫度時時發(fā)生變化，其內(nèi)部最高溫度將達到50～80 ℃，與外界氣溫相差很大。如果不采取一定的措施，混凝土很容易開裂，影響結(jié)構(gòu)的整體性并造成地下水滲漏，進一步影響結(jié)構(gòu)的耐久性，給整個工程帶來極其嚴重的危害。

混凝土熱分析不僅是預測混凝土溫度變化的必要方法，同時也是計算混凝土溫度應力的前提條件。由于早期混凝土各項熱性能都時時發(fā)生變化，同時環(huán)境等因素也時時在變化，因此，混凝土早期熱分析是一個較為復雜的問題。ANSYS軟件雖具有專門的熱分析模塊，適用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)，如熱量獲取或損失、溫度梯度、熱流密度等，但當運用在混凝土早期熱分析這一特定問題時，尚需開展一定的研究。［1］

1 軟件二次開發(fā)

ANSYS熱分析基于能量守恒原理和熱平衡方程，通過施加溫度、熱流率、熱流密度、對流、輻射、絕熱和生熱等邊界條件和初始條件，求解即可得到節(jié)點的溫度、溫度梯度、熱流率等結(jié)果。

ANSYS熱分析過程可分為3個步驟，前處理（建模）、加載求解（施加荷載并計算）和后處理（查看結(jié)果）。在建模階段，主要工作為定義單元類型并設置關鍵選項，定義單元實常數(shù)，定義材料熱性能，建立幾何模型，對幾何模型劃分網(wǎng)格。在加載求解階段，主要工作為定義分析類型，獲得瞬態(tài)熱。

分析的初始條件，設定荷載步選項和存盤求解。在后處理階段，主要工作為查看計算結(jié)果，ANSYS提供了通用后處理（POST1）和時間后處理（POST26）兩種。在POST1模塊中，可以對整個模型在某一荷載步的結(jié)果進行后處理，對結(jié)果進行彩色云圖顯示、矢量圖顯示、打印列表等，如果設定的時間點不在任何一個子步的時間點上，ANSYS會進行線性插值。在POST26模塊中，可以繪制計算結(jié)果隨時間變化的曲線。

混凝土早期熱分析施加荷載常用命令見表 1，其中施加生熱量較為復雜。早期混凝土由于水化反應產(chǎn)生大量水化熱，在ANSYS中模擬混凝土早期溫度場時，水化熱量作為荷載輸入，由于每個時刻產(chǎn)生的熱量不同，因此首先要將不同時刻的生熱量做成數(shù)組，在bf命令中使用%tabname%（tabname為數(shù)組名）施加隨時間變化的生熱量。另外，還可以采用 UPFs進行二次開發(fā)，修改Usrefl.F程序（主要參數(shù)見表2）。Usrefl.F程序可用于標量場（溫度、生熱量、濕度等）荷載的修改和施加，該程序中的key參數(shù)用于確定具體修改哪個物理量，當key＝3時，輸入的物理量為放熱量，將其寫成荷載步的函數(shù)，在每一個迭代步中都會調(diào)用該子程序，從而施加水化熱量。［2］

表1 熱分析施加荷載常用命令

表2 USREFL.F參數(shù)說明

為了驗證 ANSYS有限元計算結(jié)果的正確性，選取了有理論解的算例與有限元計算結(jié)果進行對比。［3］

算例：處于絕熱溫升狀態(tài)立方體混凝土塊尺寸為10 m×10 m×10 m，初始溫度為150 ℃，混凝土的絕熱溫升方程為θ＝30（1－e－0.34τ），其中齡期τ單位為 d，導溫系數(shù)α＝0.004 m2/h，導熱系數(shù)λ＝10.76 kJ/（m·h·℃），比熱 c＝1.00 kJ/（kg·℃）。ANSYS求解所得結(jié)果見圖1，兩種計算結(jié)果比較見表3。從計算結(jié)果看，ANSYS的計算結(jié)果與理論值基本相同。

表3 理論解與ANSYS解比較

2 實例分析

兩幢12層和26層高的辦公樓，設有一個單層地下停車場，總建筑面積約為46 056 m2，地下室底板平均厚度2.5 m，電梯井處最厚達 3.6 m，屬典型大體積混凝土結(jié)構(gòu)；地下室側(cè)墻厚400 mm，高6 m，周長400多m，屬典型超長薄壁結(jié)構(gòu)。根據(jù)大體積混凝土澆筑方案和某商品混凝土公司提供的配合比情況，按施工計劃地下室基底板共設三條后澆帶，A樓深基礎及B1－B4，BE－BF部位大底板，自然分成5個區(qū)域，根據(jù)區(qū)域順序先后及基底施工順序，先深后淺、逐漸按劃分區(qū)域展開分別澆筑鹼。其中5號區(qū)域底板最厚，達3.4 m。第1區(qū)域混凝土分兩次澆筑，第一次澆1.6 m，第二次澆1.8 m，兩次間隔時間約4 d。采用ANSYS進行有限元分析。首先建立有限元模型見圖2，有限元分析結(jié)果與實測結(jié)果比較見圖3～圖5，從圖分析，除混凝土表面溫度用環(huán)境影響變化比較突然外，其他各點有限元分析結(jié)果與測試結(jié)構(gòu)基本一致。

圖2 底板有限元模型

3 結(jié)束語

ANSYS軟件是國際著名的通用有限元軟件，是第一個通過ISO 9001質(zhì)量認證的大型分析設計類軟件，是美國機械工程師協(xié)會（ASME）、美國核安全局（NQA）及近二十種專業(yè)技術協(xié)會認證的標準分析軟件。ANSYS雖然通用性很強，但是在計算早期混凝土結(jié)構(gòu)溫度場、溫度應力場這一特定問題時略顯不足，［4］不能直接求解，需要人為地編程干預并進行開發(fā)。基于ANSYS的二次開發(fā)功能，編寫適用于混凝土早期溫度計算的模塊，充分利用 ANSYS的前后處理功能，減少軟件開發(fā)的工程量，模擬混凝土早期溫度變化過程，對大體積混凝土溫度控制具有重要的意義。

圖3 1－1號測溫點溫度實測與模擬計算

圖4 1－2號測溫點溫度實測與模擬計算

圖5 1－3號測溫點溫度實測與模擬計算

1 祝效華.ANSYS高級工程有限元分析范例精選［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004：26～43

2 李驍春.基于數(shù)值分析和工程經(jīng)驗的現(xiàn)代大體積砼裂縫控制實用技術［J］.河海大學，2008

3 李曉春、昊勝興.基于水化度概念的早期混凝土熱分析［J］.科學技術與工程，2008（2）：441～445

4 李袋春、吳勝興.基于ALYSYS的混凝土早期徐變應力仿真分析［J］.系統(tǒng)仿真學報，2008（15）：3944～3947