高層建筑混凝土筏板基礎溫度應力的仿真分析研究

2025-09-25 00:00:00徐大偉

工程機械與維修 2025年6期

0 引言

大體積混凝土具有整體性好、抗壓強度高、防火性能好等優點，但也存在抗拉強度低，易開裂，破壞后修復困難等問題。日本等國對大體積混凝土從結構設計、施工工藝、運營維護等方面展開了廣泛討論和研究，形成了一套有效降低大體量混凝土溫差應力影響的技術體系，并在國內外多個重大工程中獲得了應用[1-3]。

國內專家在前期工作中對梅山水電站的大體量混凝土進行了大量研究，并在實際工程中取得了一定成果[4]。朱伯芳[5]在研究大體積混凝土溫度場與徐變應力演化規律的基礎上，提出了適用于大體積混凝土結構的力學分析方法。姬寓[提出了混凝土結構中非線性溫度收縮裂紋問題，并給出該問題與溫度應力之間的聯系，總結了適用于該問題的相關理論。張烈霞[針對某工程大體積筏板進行特有的混凝土水化熱溫控措施設計，在保障筏板強度的同時有效抑制了因內外溫差過大導致的混凝土裂縫。胡忠存等[8]利用MidasFEA有限元分析軟件，模擬研究了武漢金控大廈大體積混凝土筏板基礎澆筑后的溫度變化規律及其溫度應力特征。

本文結合高層建筑工程實例，采用ABAQUS數值模擬軟件，對其筏板基礎進行數值仿真和溫度應力分析，檢驗其仿真精度和實用性，為類似大型空間結構的溫度場和溫度應力研究提供理論和技術基礎。

1工程項目概況

匯江安置商業、住宅及配套設施用房BT（即建設-轉讓，項目管理公司總承包、承包方墊資建設、驗收合格后移交業主）塔樓工程項目，位于臺州市黃巖區西城街道匯江村內，在規劃的金帶路以西和規劃的儀風路以南。一期工程占地411386. 78m² ，包括：約 31993.84m² 的地下工程和82392. 94m² 的地面工程。

該塔樓項目為鉆孔灌注樁 + 筏板基礎。鉆孔灌注樁直徑分為 600mm 、 700mm ，樁長在 45～72m 之間，持力層為中等風化凝灰巖。本工程大部分區域采用“鉆孔灌注樁和水泥攪拌樁復合土釘墻”圍護體系，局部采用重力式水泥土擋墻進行圍護。

2筏板基礎現場溫度監測技術

2.1監測設備選取與測點布置

該塔樓項目使用YT—3600型振動弦型應力傳感器，在筏板基礎相應部位布置4個測點，其中紅色和黑色的線孔通過對振動弦線的測量，來獲得相應的壓力值；而在白色和綠色線孔用于測量實時溫度。

根據GB/T51028—2015《大體積混凝土溫度測控技術規范》，該塔樓的筏板基礎需要設置3個控制點，分別位于筏板中心、邊緣及邊緣1/2處。按照3個控制點（上部、中部、下部）呈直角三角形分布，控制點之間的間隔為 600mm ，上控制點距離地面為 80mm ，中間控制點距離底板頂面為 80mm ，下面控制點距離地面為 200mm 。

安裝在水泥混凝土內部的傳感器，由于水化熱會導致其體積收縮或膨脹，在監測時若忽略這個影響，可能導致得出的應力值不夠精確。在實際監測過程中，特意安裝了一個無應力計，用來測定除了外部載荷和徐變因子之外的變形，也就是測定混凝土本身體積的變化。監測到的混凝土的真實應變值可表示為下列公式：

ε_?X=ε_?E?P-ε_?E

式中： ε_?X≤ 為混凝土的真實應變值，為實測點的總應變值，為無應力計獲得的應變值。

在筏板初次澆注前，需將各個傳感器的原始資料全部清零。在啟動澆筑的同時，對澆筑的混凝土進行監測。在28d養護過程中：第1～4d內，每2h進行一次采樣；在5～9d內，每4h進行1次采樣；在10～15d內，每8h進行一次采樣；此后每日進行一次采樣。

2.2控制點溫度監測

在每一測點的位置上，不同控制點的溫度，都會隨著時間的推移而發生改變。通過excel表格和origin繪圖軟件對資料進行處理后，獲得測點2不同控制點溫度變化情況如表1所示。

表1測點2不同控制點溫度變化情況

根據監測所得各測點氣溫的統計資料，該塔樓筏板基礎的中心部位出現明顯的升溫現象，此后氣溫緩慢降低，400h后又逐步回升至正常氣溫水平；在筏板平面方向，其溫差相差不大，但在垂直方向上有較大的差別；筏板的溫度分布具有中部高、上部較低的特點。

3建立筏板有限元模型

3.1 進行基本假設

考慮到該塔樓筏板基礎在施工過程中，許多因素對混凝土的早齡期裂縫均有一定的影響，因此對其進行了如下假定：一是假設混凝土是均勻的等向介質，將其視為一個在熱、靜載荷下的彈性體，其組成部分的溫度變化服從貝努利的平面假設；二是在該塔樓筏板基礎的溫度場中，可以假定在該區域中的材料性能不受溫度影響。

3.2確定計算模型

在有限元軟件ABAQUS中，選擇 1/4 的混凝土筏板作為計算模型，不僅可以提高計算速度，縮短建模時間，且可以比較和分析測量數據。對于筏板混凝土溫度場，利用瞬態傳熱解析步，通過靜態隱式算法進行求解，將混凝士的入模溫度設定在溫度場中，根據體積熱流的加載方式來確定混凝土的水化熱。筏板的計算模型如圖1所示。

圖1筏板的計算模型

3.3劃分模型網格

采用二次減縮積分單元（C3D20R）研究方法，將筏板計算模型分為1984個單元9993個結點，通過靜力一般解析步驟進行數值模擬。利用ABAQUS有限元分析軟件中預先定義的場來進行溫度場與應力場的耦合，并將傳熱解析步驟所得的溫度場作為初變量引入靜力廣義解析步驟。通過統一的有限元分析法對其進行應力求解，結果顯示受力與溫度場之間相互影響。為進一步提升計算的準確性，使用結構性網格或Sweep（掃掠劃分）等方法，盡可能逼近真實情況。在幾何結構比較復雜的情況下，在非關鍵部位也可以采用小尺寸的楔塊。在ABAQUS/Explicit分析模塊中，選擇修正后的Tet單元C3D10M（改進的10節點四面體單元）。而C3D10（10節點四面體單元）則適用于大塑性體或存在接觸表面的材質。

3.4模擬材料參數

按照該塔樓基礎面積，鋪設厚度為 1150mm 的大體積混凝土筏板。采用HRB400等級的鋼筋、鋪設 Φ18@200 （直徑為 18mm 、間隔為 200mm ）的鋼筋網。以比表面積為 3000cm²/g 的水泥為原料，以花崗巖碎石為骨料，水灰比為0.465，水泥漿量為 24% ，使用攪拌機將混凝土攪拌成形。筏板基礎混凝土參數如表2所示。

表2筏板基礎混凝土參數

4筏板基礎的模擬效果

4.1筏板溫度場仿真分析

利用ABAQUS模擬筏板的溫度場，對筏板中心點、邊點處的仿真計算結果進行分析。筏板溫度場仿真分析如圖2所示。

由圖2可知，在試驗過程中，溫度最大值發生在截面上部的中心點。在第7d，筏板的溫度曲線逐漸趨于平緩，但上部的溫度曲線仍有很大的波動。筏板中心溫度最大，溫度峰值出現在26～28h的上部截面，此時大氣溫度最高。在澆筑完以后，整個筏板的溫度呈現出起伏變化。在此過程中，隨著時間的推移，溫度逐漸降低，最終穩定下來。

4.2筏板溫度應力仿真分析

用ABAOUS軟件對筏板混凝土基礎進行溫度應力分析時，將計算結果作為預應力作用于筏板上，從而得到溫度應力。將筏板各邊角處、角部和中心點的測點應力值，與ABAOUS軟件計算得出的應力值進行對比，得到的筏板溫度應力仿真結果如圖3所示。

由圖3可以看出，溫度最大值發生在筏板混凝土截面中部，而最大溫度應力出現在中間截面中部。上部截面中心點受大氣溫度影響較大，混凝土內部溫度最高，但上部截面易與外界換熱，不會產生大的應力。由于中間截面水化熱較大，中心點的水化熱不容易散失，且內外溫差較大，因此溫度應力最大值發生在中間截面。筏板在角落的應力值相差不大，主要是由于角點處的熱量最易散失，更易與周圍空氣換熱，因此混凝土的內外溫差較小，溫度應力值也比較接近，且角點處的應力水平低于邊點處及中點。

4.3樁與筏板接觸面應力分析

樁與筏板的接觸面處于新老混凝土交界面上，因此分析該部位的應力狀態對于筏板的設計具有重要意義。測點22的三向應力如圖4所示。由圖4可知，橫、縱兩個方向上均無應力突變現象，沿主應力方向上的橫向力變化趨勢與主應力方向一致，且比主應力小。在水處理前后，橫向應力值高于縱向應力值，且與主應力下的結果更加接近。

5結論

本文闡述ABAQUS有限元軟件在建模過程中須考慮的基本假設以及主要模擬參數，通過對筏板的溫度場、溫度應力以及樁與筏板接觸面應力的仿真模擬和比較分析，證明本文提出的仿真模型能夠較好的反映真實的溫度場和溫度應力。具體結論如下：

1）為進一步實現力-熱耦合，在計算筏板溫度應力時，將計算結果作為預加載荷，模擬計算筏板的應力，實現筏板的力-熱耦合。

2）溫度最大值發生在截面中部，而最大溫度應力出現在中間截面中部；上部截面中心點受大氣溫度影響較大，混凝土內部溫度最高，但上部截面易與外界換熱，不會產生大的應力；凝土的內外溫差較小，溫度應力值也比較接近，且角點處的應力水平低于邊點處及中點。

3）在樁與筏板的接觸面進行的三向受力分析顯示，混凝土澆注后，豎向壓應力相對較小，其余方向上主要以拉應力為主，且應力值均偏小。

4）隨著時間的推移，溫度、溫度應力由上部向下部逐漸轉移，28d達到了最大水平。

參考文獻

[1]梁煬標.高層建筑筏板基礎大體積混凝土施工技術研究[J].城市建設理論研究（電子版），2024，（33）：115-117.

[2]張泓.建筑基礎筏板大體積混凝土溫度裂縫控制研究[J].建筑技術開發，2024，51（9）：144-146.

[3]蘇廣納.某小區工程筏板基礎混凝土裂縫施工控制技術[J].中國建筑金屬結構，2024，23（7）：91-93.