地下室墻體測溫試驗及溫度場的有限元分析

摘 要：文章引入水化度對傳統的早期混凝土溫度場計算方法進行了改進。通過對新澆混凝土中不同位置的溫度測試探求溫度隨時間變化的規律，同時用有限元的方法進行溫度場分析，兩者比較驗證計算方法的準確性。

關鍵詞：測溫試驗；溫度場；混凝土裂縫

1 概述

地下室墻體的施工中，常因為混凝土水化熱導致溫度裂縫。通過計算分析得到混凝土中的溫度場，有利于控制這種早齡期混凝土溫度裂縫。而傳統的計算方法不考慮水泥的水化程度，本文以某高層寫字樓的地下室墻體為例，考慮了混凝土的放熱速率的差異，以使分析結果更加合理。

2 現場測溫試驗

為了對混凝土的施工過程進行溫度控制，進行了現場測溫試驗。本次試驗的地下室一段外墻厚0.6m，高3.0m，長30.0m，底板厚0.8m。從澆注混凝土開始，連續測溫28天。混凝土使用標號為C30S8的混凝土，預測強度54.1MPa，坍落度140～160mm，容重2400kg/m3。使用的水泥為P.O.42.5R水泥。

試驗用測溫儀器采用JDC-2型電子數字測溫儀，精度范圍±0.5℃。共設置15個測溫點，探頭預埋在混凝土內部。試驗過程從澆注承臺開始，48小時內連續每兩小時測溫一次；第3～6天內每4小時測溫一次；第6～28天完成現場試驗，每天測溫兩次。測溫同時量測每天溫度、濕度。

3 基于水化度方法的溫度場的計算

3.1 溫度場有限元分析的原理

3.2 水化度方法

溫度場有限元計算分為穩態和瞬態兩大類：穩態溫度場計算用于分析穩定的熱載荷的影響，而瞬態熱分析用于計算系統隨時間變化的溫度場。本文計算中要用到的是瞬態熱分析。瞬態熱分析的基本步驟與穩態熱分析類似，主要區別在于瞬態熱分析的載荷是隨時間變化的，穩態熱分析的載荷與時間無關。為了表達隨時間變化的載荷，首先必須將載荷-時間曲線分為各個載荷步。對于每一個載荷步，必須定義載荷值及時間值，同時必須選擇載荷步為漸變式或階越式。在實際計算中，是通過計算機程序循環處理各步驟的：首先，通過資料或者材料試驗獲得水泥絕熱情況下的放熱和溫升曲線；第二步，把總時間分為足夠小的若干個時間段，按絕熱情況求出每個小的時間段的放熱量ΔQa；第三步，按照上面的公式計算每一個有限元單元或節點該時間段的放熱量ΔQp；最后，假定Ta為絕熱溫升曲線上的溫度值，Tp為上一個時間段末尾該單元或節點的溫度值計算結果，把每個節點的溫度值保存在一個矩陣中，每過一個時間段將該矩陣的數值更新。

3.4 計算結果分析

最高計算溫度值為42.1℃，發生在24h左右；最高實測溫度值為43.5℃，也發生在24h左右，相對誤差為3.3%。表面點和中心點的溫差最大為7℃，中心點前后最大溫差28℃。

計算結果與實測結果基本一致，特別是在前120h內吻合得比較好，在120h以后計算值比較實測值偏低1-2℃，但也在可接受的范圍內。

4 結束語

傳統的水泥水化熱隨齡期發展的公式本身不能反映溫度對水泥水化的影響作用而存在缺陷，本文考慮溫度對反應速率的影響作用，提出了基于水化度方法的溫度場計算方法，改善了傳統水化熱公式的不足，利用這套方法進行溫度場計算分析的結果與實測數據吻合較好說明了該方法的有效性。

參考文獻

[1]陳肇元，朱金銓，崔京浩.地下結構鋼筋混凝土抗裂研究.清華大學土木系，1998.

[2]朱伯芳.大體積混凝土的溫度應力與溫度控制[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

作者簡介：張岫文（1977，11-），男，湖南岳陽，工程師，碩士研究生，研究方向：建筑結構設計與施工。