大體積混凝土溫度應力有限元計算數值模擬分析

陳果，楊霞，楊亮

（重慶建工住宅建設有限公司，重慶 400015）

0 引言

隨著社會的發展和科技的進步，人們對建筑的要求也在不斷提高[1-2]。我國建筑業朝著高大、深厚和結構復雜化的方向不斷演進。近年來摩天大樓、跨海大橋、海底隧道等越來越多的大體積混凝土工程不斷涌現[3-4]。不同于普通的混凝土工程，大體積混凝土工程是指在工用或民用建筑中，容易由溫度收縮應力引起裂縫的結構[5-7]。由于混凝土中水泥水化放熱的特性，大體積混凝土結構通常在早期因為溫度應力而開裂，影響結構的強度和耐久性，對建筑產生危害[8]。因此，研究大體積混凝土內部的溫度場以及溫度應力，對深入研究混凝土早期放熱行為，深化結構設計和改進施工工藝，提高建筑質量具有重要的科研價值和現實意義[9]。

試驗使用數值模擬技術對大體積混凝土內部溫度場和溫度應力分布進行了研究，對影響混凝土溫度應力的因素進行了分析，結合工程實踐為工程中控制混凝土溫度應力提供了指導。

1 模擬分析步驟

選擇FEM法和有限元分析軟件ABAQUS對大體積混凝土構件的內部溫度場和溫度應力分布進行模擬分析。數值模擬分析一般包括模型建立、參數設置、總裝求解、數據模擬、結果分析與評價幾個過程，具體操作步驟見圖1。

圖1 大體積混凝土溫度應力模擬分析一般過程

2 工程實例模擬研究

2.1 計算對象選取和網格劃分

工程模型選擇大體積混凝土樁承臺構件，以混凝土構件與土壤實體進行建模。混凝土承臺構件尺寸為19.2m×4.5m×2.2m，樁長8.0m，土壤尺寸20m×5m×15m。根據具體研究結構模型的對稱性，選擇結構的1/4對稱部分為運算模型，采用八節點熱耦合六面體單元劃分網格。研究過程包括從澆注混凝土開始至水泥發熱結束。由于實際施工采用水管冷卻，因此在建模時將其放入（圖2）。

圖2 三種水管布局下的模型圖

2.2 基本參數和實驗分組

根據水泥水化熱常數表，可以查得普通硅酸鹽水泥Qo=330kJ/kg。材料及其熱特性值參數如表1所示。

表1 材料參數表

冷卻水管通過對流換熱的方式冷卻承臺梁，在計算中直接計算出相應對流換熱系數并應用于ABAQUS中來計算散熱效果。針對混凝土強度、流速、冷卻路徑長度、管徑、外界氣溫、桶水溫度、流量等工況，進行分組模擬研究。其對流換熱系數分別為564w/（m2·k）、710 w/（m2·k）和982 w/（m2·k）。 計算中，土壤底部固定，四周固定法向的位移，并增加恒溫293.15K的溫度條件，初始溫度為293.15K。溫度邊界面設置的溫度條件為293.15K。整個模型施加9.8m/s2重力載荷。

考慮多因素水平設計正交試驗，如表2所示。

2.3 結果和分析

2.3.1 數值模擬結果

表2 正交試驗表

試驗1溫度及應力數據模擬，如圖3所示。

圖3 試驗1溫度及應力數據模擬圖

表3 正交試驗結果極差分析表

同樣，改變相應參數后運行軟件，可以得到其他實驗組的溫度及應力數據模擬圖。

2.3.2 數據分析和討論

正交試驗結果極差分析如表3所示。

通過以上正交試驗方案進行多因素多變量數值仿真試驗，對試驗結果進行處理分析。

（1）冷卻水溫度

試驗研究分析了冷卻水溫在 0℃、10℃、20℃時混凝土的溫度，得到各種情況下的溫度應力圖。在一定的溫度范圍內，冷卻水溫越低，水管和混凝土的溫差越大，冷卻效果越好。但人工獲得低溫冷卻水費用較高，不易控制水管與混凝土之間的溫差，當冷卻管對混凝土的溫差過大時，會引起預埋冷卻管周圍的混凝土開裂。因此，當考慮采用降低冷卻水溫來提高冷卻效果時，應慎重。通過正交試驗數據分析，冷卻水溫度R值最大，對大體積混凝土性能影響最大。在實際施工過程中，若混凝土強度處于C50以下，采用較低冷卻水溫為宜，混凝土強度若高于C50，可適當提高冷卻水溫度，10℃為宜。

（2）冷卻水流量

冷卻水在水管內的流動狀態可分為層流和紊流，紊流帶走的熱量要比層流大。冷卻水流速較小時，水流以層流狀態流動，超過臨界速度時，進入紊流狀態，因此管內水流速度必須保持足夠大。根據實際工程，一般來說水流速取臨界流速的3～4倍為宜。

（3） 水管間距

水管間距包括水平間距和豎直間距，研究采用的正交試驗，僅分析水平間距的影響。冷卻速度是和管距的平方成反比的，管距減小時，冷卻速度迅速增加。研究采用3種 間 距 ：1.92m、2.25m 和2.4m，三種間距下的冷卻效果均可接受，且冷卻效果隨間距減小而提高。混凝土體積較大時，冷卻水管過于密集會使管材用量急劇增長，提高成本。分析正交試驗結果，發現水管間距控制在1～3m左右是合理的。若混凝土強度較高，可適量減小水管間距。

（4） 冷卻路徑

通過3組短距離冷卻路徑進行定性分析發現，冷卻路徑長的冷卻效果最好，且冷卻路徑的R值與冷卻水間距R值相近，對混凝土性能的影響比較突出。

為了使流量在各管圈內盡可能均勻分配，應使各管圈的長度大體相近。水管中的水流溫度沿程變化：沿水管離進水口越遠，水溫越高；單根水管越長，水管進口水溫與出口水溫相差越大。這樣在同一澆筑層的混凝土冷卻效果不均勻，實際工程中應當引起重視。

（5）混凝土強度等級及大氣溫度

正交試驗方案水平選取中，混凝土等級是C30、C40、C50，大氣溫選取為15℃及40℃。對比試驗結果，混凝土的強度等級和大氣溫度對其冷卻效果影響相對其他因素較小，在沒有極端氣溫的條件下施工，根據國家規范的保溫養護標準進行即可。

3 工程實例

重慶某高架車站工程以上述有限元分析模型為基礎，建立了大體積混凝土預埋冷卻水管內部溫度控制體系。工程采用20mm管徑鋼管，并進行無縫焊接，循環冷卻水管沿底板高度方向多層布置，每隔0.8m設置一層循環水管，上下各距頂底面大于0.4m，水流量控制在1.3～1.5m3/h，通水溫度10℃。冷卻設計達到了實際效果，降低了混凝土開裂風險，保障了施工質量，延長了工程耐久性。

4 結論

（1）本文對大體積混凝土內部溫度應力進行了數值模擬分析，確定了影響大體積混凝土溫度應力控制的關鍵因素及其影響程度。

（2）根據分析結果與工程實踐經驗提出高效預埋冷卻水管的大體積混凝土施工參考意見，為類似工程提供有價值的參考，見表4。

表4 大體積混凝土中預埋冷卻水管建議表

怎樣防治混凝土氣泡的產生

在施工中，應重視混凝土的強度，但混凝土氣泡同樣不容忽視。如果混凝土表面出現大量氣泡，將減少鋼筋混凝土保護層的有效厚度，加速混凝土表面碳化進程，同時氣泡較大也會減小混凝土構件截面面積，影響混凝土強度。

1 氣泡的防治

（1）加強與預拌混凝土廠家聯系，優化預拌混凝土技術合同，增加單方水泥用量，降低粉煤灰等摻合料用量。

（2）加強模板清理和脫模劑采購質量的控制，同時采用滾刷涂刷均勻，最后采用膠皮刮子將多余脫模劑刮掉，不得存在堆積流淌的現象。

（3）加強勞務分包混凝土班組，尤其是振搗工的交底工作，減少一次澆筑混凝土的厚度，科學合理地控制振搗時間。

2 實施效果

按照以上措施對預拌混凝土、模板清理、脫模劑正確使用、混凝土澆筑振搗等方面嚴格控制，通過拆模后跟蹤檢查，混凝土氣泡得到了有效控制，做到了“外堅內美”，保證了混凝土觀感質量。