大體積混凝土整體澆筑溫度與應(yīng)力規(guī)律研究

汪洋，許俊杰，程偉 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 大體積混凝土整澆仿真分析理論

1.1 仿真計(jì)算設(shè)計(jì)模型

基于混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)和應(yīng)力分布的復(fù)雜性，則采用ANSYS軟件進(jìn)行精確的理論仿真分析，確定混凝土內(nèi)力分布的控制截面、主應(yīng)力方向。混凝土和巖石直接接觸，選擇大體積混凝土結(jié)構(gòu)形狀為圓柱體，而任何通過(guò)直徑方向?qū)⑵浞珠_(kāi)均對(duì)稱，忽略混凝土的各向異性，通過(guò)直徑剖面內(nèi)均不存在熱交換，所以可以選擇任何部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)建立一個(gè)4m厚、半徑為20m四分之一模型，底部巖石基礎(chǔ)厚度8m、半徑比混凝土部分大8m，巖石混凝土底部張拉廊道寬2.9m左右，計(jì)算時(shí)忽視深層巖石表面的熱交換。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 大體積混凝土設(shè)計(jì)模型

1.2 溫度荷載和溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)

本次計(jì)算模型采用的溫度場(chǎng)和荷載參數(shù)如下：

容重（混凝土）：2400kg/m；

比熱容（混凝土）：960J/(kg·K)；

導(dǎo)熱系數(shù)（巖石）：2.2W/(m·K)；

導(dǎo)熱系數(shù)（混凝土）：2.38W/(m·K)；

保溫層與混凝土側(cè)面?zhèn)鳠崧剩?.6W/(m·K)；

保溫層—混凝土上表面?zhèn)鳠崧剩?.5W/(m·K)；

巖石基礎(chǔ)溫度：13℃；

入模溫度（混凝土）：13℃；

水泥水化熱：285,400J/kg；

環(huán)境空氣溫度：13℃；

半徑：20m，厚度：4m。

2 溫度及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.1 溫度計(jì)算結(jié)果

采用以上設(shè)計(jì)參數(shù)和相關(guān)規(guī)范，進(jìn)行混凝土溫度計(jì)算模擬。在計(jì)算過(guò)程中調(diào)整表面混凝土的一些保溫層參數(shù)，用以選擇最合適的混凝土溫度邊界條件。通過(guò)比較選擇上表面的保溫層傳導(dǎo)率2.5 W(m·K)、邊緣保溫材料的傳熱率1.6W(m·K)較為恰當(dāng)。溫度計(jì)算結(jié)果如表1所示。

溫度計(jì)算結(jié)果 表1

通過(guò)ANSYS有限元軟件計(jì)算，混凝土澆筑后大約在140h左右，中心點(diǎn)混凝土溫度最高，約為65 C°，將溫度隨時(shí)間變化繪制成曲線如圖2所示（橫軸為時(shí)間/h，縱軸為溫度/C°）。

圖2 中心點(diǎn)混凝土溫度變化曲線

分析混凝土內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布情況，以混凝土澆筑施工后123h為例，溫度場(chǎng)如圖3所示。

圖3 混凝土內(nèi)部第123h溫度場(chǎng)分布

2.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

流體到固體的轉(zhuǎn)變是混凝土形成的一個(gè)漸變過(guò)程，在這個(gè)非常復(fù)雜的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，混凝土形成溫度應(yīng)力。混凝土從初凝到終凝大約需要18h，此時(shí)間的形成的應(yīng)力很小，但在混凝土降溫過(guò)程中形成的應(yīng)力才是和混凝土裂縫的產(chǎn)生緊密相關(guān)。混凝土從流體到固體形成過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力還有收縮因素影響，從而導(dǎo)致混凝土的內(nèi)外收縮不一致，則應(yīng)當(dāng)考慮混凝土收縮時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響。

本工程設(shè)計(jì)將混凝土溫度應(yīng)力作為一個(gè)規(guī)律性變化的過(guò)程，實(shí)際是混凝土澆筑有時(shí)間過(guò)程的，混凝土具體澆筑時(shí)間是與各部分溫度的分布對(duì)應(yīng)的。將18h的溫度場(chǎng)作為ANSYS有限元計(jì)算的基準(zhǔn)點(diǎn)，從而計(jì)算各部分降溫點(diǎn)的溫度應(yīng)力。

通過(guò)計(jì)算得到不同時(shí)間點(diǎn)的混凝土抗拉強(qiáng)度、第一主應(yīng)力和徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力如表2所示。

應(yīng)變計(jì)算結(jié)果 表2

分析混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布情況，以澆筑后第170h為例，應(yīng)力分布如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 混凝土內(nèi)部第一主應(yīng)力分布

圖5 混凝土內(nèi)部環(huán)向應(yīng)力分布

圖6 混凝土內(nèi)部徑向應(yīng)力分布

3 計(jì)算結(jié)論分析

溫度規(guī)律：在環(huán)向與半徑方向產(chǎn)生的溫度處均出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力區(qū)域基本分布在混凝土上表面邊緣區(qū)。在側(cè)面中間水平方向（環(huán)向）出現(xiàn)最大主應(yīng)力，而最大環(huán)向應(yīng)力在上表面與側(cè)面相交處，并且最大主應(yīng)力大于最大環(huán)向應(yīng)力。考慮環(huán)向應(yīng)力逐漸增大，并且拉應(yīng)力范圍隨溫度變化而變化，所以建議采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，將抗裂鋼筋布置在受拉區(qū)。

應(yīng)力規(guī)律：根據(jù)計(jì)算所采取的熱力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，各個(gè)時(shí)間段混凝土的抗拉強(qiáng)度（見(jiàn)表2）均大于混凝土的拉應(yīng)力，則保證了混凝土內(nèi)外均不出現(xiàn)裂縫。所以應(yīng)注意在降溫階段時(shí)，避免溫降速率過(guò)大，在養(yǎng)護(hù)期時(shí)避免混凝土局部溫度過(guò)高或過(guò)低，實(shí)時(shí)監(jiān)控各控制點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，及時(shí)有效地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)。

綜上所述，大體積混凝土整體澆筑施工，可以通過(guò)加強(qiáng)溫度監(jiān)控、設(shè)置養(yǎng)護(hù)覆蓋物、增設(shè)抗裂鋼筋等控制相關(guān)裂縫的產(chǎn)生。