超大體積混凝土分層一次澆筑施工與有限元分析★

馮喜俊　方光秀

(延邊大學工學院，吉林延吉　133002)

超大體積混凝土分層一次澆筑施工與有限元分析★

馮喜俊方光秀*

(延邊大學工學院，吉林延吉133002)

摘要:通過工程實例，應用斜面分層法，設計了超大體積混凝土分層一次澆筑施工方案，總結出混凝土表面貯水保溫、保濕等施工措施，同時采用ANSYS軟件，模擬分析了超大體積混凝土在澆筑過程中內外溫度的變化，指出其模擬值與理論計算值較吻合，并提出了回歸方程，為類似工程提供參考借鑒。

關鍵詞:大體積混凝土，斜面分層，澆筑施工，有限元分析

我國GB 50496—2009大體積混凝土施工規范規定:混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1 m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土，稱之為大體積混凝土。因為大體積混凝土要求分區段、分層進行澆搗，每施工分區段的體積厚大，使其在水泥水化熱反應過程中，結構內部升溫較快。

另外，混凝土是熱的不良導體，散熱的速度非常慢，超大體積混凝土經澆筑后，其內部的溫度遠高于外部的溫度，有時甚至相差50℃～70℃，造成內部膨脹外部收縮，使外表產生很大拉應力而導致開裂［1-3］。為治理上述質量通病，研究超大體積混凝土的分層一次澆筑施工技術是一項重要課題。

本文針對超大體積混凝土的體積厚大且內外溫差大的特點，設計分層一次澆筑施工，同時提出混凝土表面貯水蓄熱保溫保濕養護措施，并采用ANSYS軟件進行有限元模擬分析。

1　工程概況

某工程主樓采用筏形基礎，建筑層數為28層，如圖1所示。筏基板厚為2.2 m，長寬為58.5 m×45.5 m，底板面積為2 662 m2。澆筑筏板混凝土工程量超過4 500 m3［4］，屬于超大體積混凝土結構。

圖1　筏板及超大體積混凝土澆筑施工示意圖

2　超大體積混凝土一次澆筑設計

2.1斜面分層法

在實施斜面分層法時，每次澆筑工作面控制在3 m，混凝土分4層澆筑，向前推進的攤鋪坡度控制在1∶2.5范圍內，每層厚度為550 mm。斜面分層澆筑方式如圖2所示。

圖2　斜面分層澆筑方式示意圖

超大體積混凝土分層一次澆筑施工流程與質量控制關鍵點如圖3所示。

圖3　筏基底板混凝土的澆筑施工流程與質量控制點

2.2允許澆筑的最大長度計算

彈性模量隨時間的變化規律［5］:

式中: E( t)——任意齡期的彈性模量;

E( 0)——最終彈性模量，一般取2.6×104N/mm2;

t——混凝土澆灌后的天數;

α，β——經驗系數，α=0.09，β=1。

混凝土極限拉伸值計算。

計算混凝土澆灌后30 d的極限拉伸值:

混凝土允許整澆最大長度計算。

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

所以符合分區段及分層一次澆筑。

3　貯水池蓄熱與保溫及保濕養護

由于超大體積混凝土內部水化反應過快，出現大幅度內外溫度差［6］，將產生溫度應力，造成表面裂縫，所以其內外溫度差是促成裂縫的主因。蓄熱與保溫及保濕養護的貯水池，如圖4所示。在混凝土表面磚砌分格的貯水池尺寸為3 m×3 m×0.07 m，其貯水高度為0.05 m。經監測結果表明，貯水池可有效控制內外溫差值而防止裂縫的產生。

圖4　貯水池

4　 ANSYS有限元分析

4.1模型的建立及網格化分

大體積混凝土采用三維實體Solid70單元，鋼筋采用Link8單元來建模。采用分離式共節點的方法建立有限元模型［7］，以x軸，y軸為對稱軸，建立1/4結構模型，如圖5所示。

圖5　大體積混凝土1/4結構有限元模型

4.2材料基本參數及邊界條件

文獻［3］的強度隨齡期變化的關系曲線表達式為:

式中: t——混凝土齡期，d;

Rf( t)，Rfo——t，28 d齡期的抗拉強度。

混凝土材料及其他參數如表1所示。

混凝土與土壤接觸面屬于第三類邊界條件，取土壤溫度為定值;在混凝土澆搗過程中的層接觸面采用第四類邊界條件。

4.3計算結果

4.3.1有限元結果分析

為避免提高混凝土的最高溫升、內部蓄熱，保溫措施在3 d后進行，故本文只考慮混凝土澆筑3 d時的最高溫升。其分析結果如圖6所示。

表1　混凝土材料及其熱特性值參數

圖6　第3天澆筑節點熱梯度分布示意圖

從圖6可知，澆筑第3天后，大體積混凝土內部溫差將達到37.92℃，在混凝土中心位置將達到最大溫度60.25℃，且出現較大拉應力，其值約為0.62 MPa。

4.3.2混凝土內部溫度的計算

1)最高絕熱溫升值計算:

經估算可得大體積混凝土內部溫度，如表2所示。

表2　大體積混凝土內部溫度估算表

4.3.3對比分析有限元模擬值與理論計算值

模擬值與理論計算值的對比分析，如圖7所示。

圖7　有限元模擬值與理論計算值對比示意圖

式中: W——水泥用量，取298 kg/m3;

Q——525號水泥的水化熱，查手冊［6］，取461 kJ/kg;

C——混凝土比熱;

γ——混凝土的容重，一般取2 400 kg/m3。

2)混凝土中心最高溫度計算:

式中: Tj——入模溫度，3月上旬取26℃;

ζ——散熱系數，查手冊［6］，取0.63。

3)混凝土內部溫度估算:

式中: Tb( t)——混凝土表溫度;

h'——混凝土虛厚度;

λ——混凝土導熱系數，取2.33 W/( m·K) ;

K——折減系數，根據試驗取為0.67;

β——模板及保溫層傳熱系數。

4)混凝土內部溫度估算公式為:

由圖7可知，有限元模擬值在混凝土內部中心處較為穩定，溫度為最高，且范圍較大;由中心向表面或地基方向，溫度逐漸降低，且溫度變化速率變快。理論計算值在混凝土內部中心處向表面或地基方向變化較為均勻。在距混凝土表面0 m～0.73 m，1.48 m～2.2 m的范圍內，理論計算值基本上大于有限元模擬值，且差異較大;在范圍0.73 m～1.48 m的范圍內，理論計算值與有限元模擬值相近，且最大差值為5.48℃。

應用MATLAB軟件進行多項式擬合，提出公式。

有限元模擬值方程: y =－4.48x2+27.21x +16.55。

理論計算值方程: y =－4.54x2+26.24x +23.54。

5　結語

1)應用斜面分層法設計超大體積混凝土分層一次澆筑施工，不留設施工縫或后澆帶，較好地克服了超大體積混凝土厚度大不易澆筑、水化熱溫度高容易產生裂縫等質量通病。

2)貯水池蓄熱與保溫及保濕養護措施，有效減少超大體積混凝土內外溫度差值，最高可達19.7℃，使混凝土內表溫差控制在規定值范圍內。

3)通過ANSYS有限元分析，混凝土在進行保溫保濕處理之前，能達到較大溫度值。通過與理論計算值比較，提出溫度應力變化規律，模擬值與計算值較吻合，并提出回歸方程，為類似工程應用提供借鑒。

參考文獻:

［1］童育林.大體積混凝土裂縫控制研究［D］.重慶:重慶大學碩士學位論文，2004.

［2］李繼業.新型混凝土實用技術手冊［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［3］楊碧華，李慧強.早齡期大體積混凝土溫度應力與裂縫的關系［J］.華中科技大學學報(城市科學版)，2002，19( 4) : 76-77.

［4］李彬彬.大體積混凝土溫度應力有限元分析［D］.西安:西安建筑科技大學，2007.

［5］蘇有文.大體積混凝土施工過程溫度應力場檢測及有限元分析［J］.浙江工業大學學報，2010，38( 4) :442-447.

［6］趙志緒.高層建筑施工手冊［M］.上海:同濟大學出版社，1991.

［7］王輝.大體積混凝土結構溫度應力有限元分析［D］.西安:西安建筑科技大學，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

通訊作者:方光秀(1967-)，男，博士，教授

作者簡介:馮喜俊(1989-)，男，在讀碩士

收稿日期:2015-11-27★:延大土木工程建造技術教學資源庫建設資助項目(項目編號:802014010)

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0093-04

中圖分類號:TU745.4

文獻標識碼:A