基于氣象數據與不同工況的底板溫度數值模擬分析*

仉 震，張同波，李翠翠，葉 林，許衛曉，張慶浩

(1.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033； 2.青建集團股份公司，山東 青島 266071)

0 引言

超長混凝土結構溫度應力與結構溫度變化和外界約束情況有關，因此，無縫施工技術的關鍵在于解決溫差和約束問題。目前，已有學者對超長混凝土結構約束問題進行了研究，但對溫差問題的研究相對較少，且多數研究主要側重于內部因素，即混凝土配合比、水泥細度、水泥放熱量等，忽略了外界環境溫度變化對結構溫度的影響。這是因為環境溫度變化較復雜，分析困難，且相對于內部因素，環境溫度變化對超長結構的影響較小，使超長混凝土結構溫度變化分析不全面、溫度應力計算結果不準確，導致實際溫度應力過大，引起結構開裂。本文對超長混凝土底板溫度受環境溫度影響的規律進行研究，提出基于環境溫度研究超長混凝土底板溫度的數值模擬分析方法。

1 試驗概況

試驗選取了5個工程8個測點的溫度數據，如表1所示。其中，在青島爐房幼兒園工程C區進行了450mm厚底板溫度監測試驗，C區長38.6m、寬17.7m，面積為683m2，上、下排鋼筋為φ16@200，采用平板式筏板，基礎持力層為花崗巖強風化帶，底板混凝土強度等級為C30。在底板內部豎直方向布置1個測點，為1號測點，距下表面0.225m。2號測點為小環境溫度測點，3號測點為大環境溫度測點。大環境溫度為現場采集的項目部外測點的監測溫度，小環境溫度為底板試驗位置監測的溫度。底板測點位置如圖1所示，分析環境溫差時利用表1所示試驗現場大、小環境溫度監測數據。

表1 底板溫度監測試驗情況

圖1 底板測點位置

表3 頂板模架搭設完成至混凝土澆筑前環境溫差 ℃

表4 頂板混凝土澆筑完成至地下室封閉前環境溫差 ℃

2 地下結構在不同工況下的環境溫差分析

地下室內的小環境溫度隨著外界大環境溫度的變化而變化，但隨著施工的進行，小環境溫度變化幅度逐漸小于大環境溫度，這說明施工工況的改變可影響小環境溫度。大環境最高溫度略高于正常值，應為設備受陽光照射影響，因此選取距各試驗項目最近的氣象站數據替換大環境溫度，可較準確地找出大環境與小環境溫度之間的關系。大、小環境溫度取2:00，8:00，14:00，20:00的氣象溫度平均值，比值為小環境溫差與大環境溫差之比，部分試驗結果如表2～5所示。

表2 頂板模架搭設前環境溫差 ℃

由表2～5可知，模板搭設前，地下結構小環境溫差高于大環境溫差，隨著模板搭設工序的進行，封閉性越來越好，小環境溫差逐漸小于大環境溫差，比值逐漸降低；上部頂板結構混凝土澆筑后，溫差比值明顯小于澆筑前，施工現場封閉情況較好的試驗工程得到的溫差比值較小，可知封閉情況對溫差比值的影響明顯。

所有試驗工程不同工況下大、小環境溫差比值分布如圖2所示。由圖2可得到不同工況下地下室內小環境溫差取值系數，如表6所示。頂板模架搭設后至混凝土澆筑前，隨著模板搭設程度的增加，小環境溫差取值越來越小；頂板混凝土澆筑完成至地下室封閉前，隨著封閉程度的增加，小環境溫差取值越來越小；地下室封閉后，距地下室出入口的距離越小，小環境溫差取值越大。地下結構小環境溫差在頂板模架搭設后的工序中小于大環境溫差。依據小環境溫差系數和當地氣象溫度、各工況時間取值，結合實際工程工期計劃，可推算出地下結構小環境溫度曲線。

表5 地下室封閉完成環境溫差 ℃

圖2 不同工況下大、小環境溫差比值分布

表6 不同工況下地下室內小環境溫差取值系數

3 基于當地氣象溫度的有限元模擬分析

3.1 模擬分析步驟

1)調閱并計算關注時間段內的當地平均氣象溫度曲線。

2)根據工況及溫差比值計算小環境平均溫度曲線，作為底板溫度模擬分析的輸入環境溫度。

3)建立底板和地基一體化有限元數值模型(見圖3)。地基土厚度一般取5m，溫度賦值需根據當地地溫資料確定。

圖3 有限元模型

4)定義模型材料導熱系數。

5)定義模型水化熱參數。根據公式，計算膠凝材料水化熱總量、不同摻量摻合料水化熱調整系數、水化熱系數。

6)運行模型，提取計算結果(見圖4)。

圖4 溫度場分布云圖(單位：℃)

3.2 結果分析

為準確得到底板結構溫差數據，從而精確計算底板溫度應力，提出基于氣象數據和不同工況的底板結構溫差計算方法。

由數值模擬結果可知，將實測小環境溫度數據作為溫度荷載施加在模型表面可較好地模擬底板溫度變化情況。根據氣象平均溫度和小環境平均溫度比值，如果分別使用實測小環境平均溫度與實測小環境溫度作為溫度荷載的模擬結果吻合程度較好，可先計算氣象平均溫度，再計算小環境平均溫度，最后將小環境平均溫度作為溫度荷載，通過數值模擬的方法得到底板溫度變化情況。

將實測小環境溫度數值模擬結果記為模擬1，將實測小環境平均溫度數值模擬結果記為模擬2，將數值模擬求得的底板溫度記為模擬3，將測點1溫度記為試驗溫度，對比曲線如圖5所示，部分數據如表7所示。

圖5 溫度曲線對比

表7 測溫數據對比 ℃

由圖5可知，溫度曲線變化趨勢和波動幅度基本相同，試驗溫度曲線和模擬2溫度曲線吻合程度較好，說明可利用小環境平均溫度作為溫度荷載模擬底板溫度變化情況。由表7可知，模擬3與試驗溫度相比，第7天溫度相差較大，為2.2℃，之后溫度接近，大部分時間點溫度相差在1℃之內，可知模擬3的方法可行。

3.3 案例分析

以北京地區為例，對基于當地氣象溫度計算底板溫度計算方法進行說明。假設某工程底板厚450mm，澆筑完成后第3天開始模板支架的搭設，第15天模板支架搭設完成并澆筑混凝土，第50天地下室全部完成，利用ANSYS軟件計算自底板澆筑完成后100d內溫度變化情況。取2020年1月1日—2020年4月9日北京地區氣象平均溫度，不同工況下地下室內小環境溫差取值系數取1.3。頂板模架搭設前溫差比值為1.20，頂板模架搭設完成至混凝土澆筑前溫差比值為0.80，頂板混凝土澆筑完成至地下室封閉前溫差比值為0.60，地下室封閉完成溫差比值為0.40。氣象平均溫度曲線如圖6所示，計算得到小環境平均溫度曲線如圖7所示，模擬結果如圖8所示。

圖6 大環境溫度曲線

圖7 小環境溫度曲線

圖8 模擬結果

4 結語

1)地下結構小環境溫差在頂板模架搭設后的工序中小于大環境溫差。

2)依據小環境溫差系數和當地氣象溫度、各工況時間取值，結合實際工程工期計劃，可推算出地下結構小環境溫度曲線。

3)提出基于當地氣象數據與不同工況的底板溫度數值模擬分析方法，即依據平均氣象溫度、不同工況及小環境與大環境溫差比值計算小環境平均溫度，以此進行底板溫度數值模擬分析，得到底板溫度曲線。