论文部分内容阅读
摘要：本文论述分层浇筑过程中大体积混凝土的温度场与应力场问题,并对 ANSYS的大体积混凝土分层浇筑施工过程的仿真进行分析。
关键词：分层浇筑；温度裂缝；混凝土
Abstract: this article discusses layered process of mass concrete casting the temperature field and stress field problems, and the ANSYS mass concrete casting layer construction process simulation analysis.
Keywords: layered casting; Temperature crack; concrete
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
1 概述
隨着国民经济的发展大型现代化的技术设施或构筑物不断的增多，而大体积混凝土是构成其主体的重要组成部分，大体积混凝土特点：施工体积厚大。 由此带来的问题是，水泥的水化热不易散发，引起的温升大，从而引起的体积变化也大，由于冷却时受到外部及内部的约束， 又由于混凝土的低抗拉能力， 从而产生裂缝。 因此， 大体积混凝土施工中最常见的质量问题是温度裂缝， 而水泥水化热又是大体积混凝土中主要温度因素， 由此可见对于大体积混凝土施工阶段来讲， 浇筑方案的选择， 是决定工程质量和造价的重要因素之一。整体连续浇筑具有结构整体性好、 施工周期短和抗渗性好等优点， 但当所浇筑混凝土的厚度超过 1.3m 时，应采取分层浇筑，分层厚度宜为 0.6～1.0m。 因此， 综合大体积混凝土浇筑施工经验， 分层浇筑应具有以下 3 个主要优点：
⑴可防止因水化热散发不出而引起的裂缝。由于混凝土是热的不良导体，当所浇筑的混凝土厚度较大时，混凝土内部由水化热而引起的温度较高，与外界气温形成较大温差， 易形成混凝土表面裂缝。
⑵对支模系统有利。例如在超厚混凝土整板结构转换层施工中， 若采用常规模板支撑体系， 下层楼面将承受较大的施工荷载， 有可能破坏下层结构， 若采用分层浇筑方案，靠第一层先浇板承受后浇板的施工荷载， 可大大减少施工中支模的费用。
⑶可减少混凝土的一次浇筑量，易组织施工。工程实践证明，大体积混凝土分层浇筑法是一种有效的温控措施，为有效利用这种施工方法，必须首先弄清楚分层浇筑过程中的温度场与温度应力场问题。
2大体积混凝土的温度场与应力场计算特点
计算大体积混凝土结构的温度应力，首先根据热传导理论，计算结构各点在各瞬时的温度， 即确定温度场，然后根据结构前后两个温度场之差的温度作用， 按热弹性力学求出温度应力，即确定应力场。大体积混凝土的温度场求解属线性的瞬态温度场问题，温度应力属热弹性力学问题，而关于大体积混凝土温度与温度应力的计算，实践中已有一整套的基于手算的计算理论与公式，但将其应用于分层浇筑的大体积混凝土工程时， 由于温度场与应力场的约束条件的变化， 必然会产生一定的误差。
⑴温度场边界条件的变化。温度场问题即热传导问题，大体积混凝土在施工期由于水泥水化作用而发热，其边界条件一般也随时间变化， 所以大体积混凝土的温度场问题也为有热源的瞬态温度场问题。 而大体积混凝土在分层浇筑中， 下层混凝土与上层混凝土之间存在着浇筑间隙，在浇筑间隙内， 下层混凝土表面与空气接触(第三类边界条件)， 有利于混凝土的散热， 当上层混凝土浇筑完毕后， 下层混凝土表面与上层混凝土接触(第四类边界条件)， 而目前已有的基于手算的计算理论很难反映此时的温度场边界条件的变化。
⑵温度应力场边界条件的变化。 同时考虑下部的混凝土体为新浇筑混凝土，存在着应力松弛与收缩现象，上述因素有利于缓解上部混凝土的温度应力对于大体积混凝土的第一层浇筑层，在龄期为 t 时， 上部浇筑了第二浇筑层（中层）。对于中层， 底层是使其产生温度应力的约束，中层混凝土在降温时， 底层混凝土的约束使其不能自由的收缩， 即对其产生一个向外的拉力即温度拉应力。反过来， 这个对中层的拉应力对于底层来说则是向内的压应力， 即中层对于底层也是一个约束， 这个约束迫使底层收缩，是有利而非有害的。 这也可以从另一方面来解释在浇筑混凝土后，在混凝土内部由于降温差引起的混凝土的收缩量是随着龄期而不断减少的，由于底层比中层先浇筑 s天，故在各时间段中层的收缩量总大于底层由于这两个收缩不同步，其差值将由中层作用于底层上抵消一部分由地面约束带来的较大拉应力，有利于防止贯穿性裂缝的出现。
3 基于 ANSYS的大体积混凝土分层浇筑施工过程的仿真分析
模拟大体积混凝土的浇筑过程需采用 ANSYS 软件的单元 “死活” 功能， 即ekill 命令和 ealive 命令。 在仿真分析中先把整个模型建好并进行全部网格剖分， 再利用 ekill 命令将所有单元 “杀死” ，在计算中，可以按要求激活模型中对应于当前浇筑层中的单元，并施加边界条件， 计算完成后， 先去掉边界条件，再按要求激活下一浇筑层，如此可达到仿真整个结构分层、 分块施工。利用 ANSYS 内部函数 *DO， 并以龄期为荷载步来控制程序的执行和各项参数及边界条件、 初始条件的变化。图l 列出分层浇筑施工阶段仿真分析的简要流程。
图 1 分层浇筑施工阶段仿真分析流程
4 算例分析
⑴算例模型说明
一棱柱体大体积混凝土底板，混凝土为 C35， 配合比见表 l所示，平面尺寸为 50mm×50m， 厚度为 2.1m， 底板浇筑在土壤地基上。底板下土壤地基选取尺寸为70m×70m， 厚度 5m。利用通用有限元软件 ANSYS 对该大体积混凝土施工养护期(28d)进行热 - 结构祸合分析。热分析时， 针对底板及土壤， 选用 Solid70 热单元， 混凝土上部由空气对流散热， 下部混凝土经土壤导热， 土壤四周加绝热边界条件。 结构分析时， 针对底板及土壤， 选用 Solid45 结构单元， 土壤四周加固定约束。对该算例中的混凝土板， 首先选择整体连续浇筑施工方案， 其次选择分层浇筑施工方案， 对两种方案计算结果进行了对比。
表 1 混凝土的配合比
⑵温度场及温度应力场仿真分析结果
经过 Ansys 分析后可知， 整体连续浇筑时混凝土板中心温度最高拉应力达到 3.2MPa，而 C35 混凝土 28d的抗拉强度为 1.607MPa， 由此判断该混凝土板开裂。对该板采用分层浇筑施工方案， 分 3 层浇筑， 每层浇筑厚度为 0.7m， 每层浇筑时间间隔为 5d， 该施工方案下， 混凝土板中心点最高温升为 42℃，其最大温度拉应力为1.37MPa，低于 C35 混凝土 28d 的抗拉强度 1.607MPa，由此判断， 对该混凝土板采用分层浇筑施工方案来预防混凝土开裂可行。
5 结束语
通过分析了分层浇筑大体积混凝土的温度场与温度应力场计算特点上，利用有限元程序NSYS 模拟分层浇筑施工的温度场与温度应力场问题进行了探讨， 并采用一大体积混凝土底板做为算例对其进行了分析与计算， 结果表明， 关于大体积混凝土温度与温度应力的计算， 尽管实践中已有一整套的基于手算的计算理论与公式， 但如将其应用于分层浇筑的大体积混凝土工程时， 由于温度场与应力场的约束条件的变化， 必然会产生一定的误差。因此针对分层浇筑施工法的有限元分析结果表明： 分层浇注的最佳间隔时间应在先浇筑混凝土层达到最高水化热温升的时间附近。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：分层浇筑；温度裂缝；混凝土
Abstract: this article discusses layered process of mass concrete casting the temperature field and stress field problems, and the ANSYS mass concrete casting layer construction process simulation analysis.
Keywords: layered casting; Temperature crack; concrete
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
1 概述
隨着国民经济的发展大型现代化的技术设施或构筑物不断的增多，而大体积混凝土是构成其主体的重要组成部分，大体积混凝土特点：施工体积厚大。 由此带来的问题是，水泥的水化热不易散发，引起的温升大，从而引起的体积变化也大，由于冷却时受到外部及内部的约束， 又由于混凝土的低抗拉能力， 从而产生裂缝。 因此， 大体积混凝土施工中最常见的质量问题是温度裂缝， 而水泥水化热又是大体积混凝土中主要温度因素， 由此可见对于大体积混凝土施工阶段来讲， 浇筑方案的选择， 是决定工程质量和造价的重要因素之一。整体连续浇筑具有结构整体性好、 施工周期短和抗渗性好等优点， 但当所浇筑混凝土的厚度超过 1.3m 时，应采取分层浇筑，分层厚度宜为 0.6～1.0m。 因此， 综合大体积混凝土浇筑施工经验， 分层浇筑应具有以下 3 个主要优点：
⑴可防止因水化热散发不出而引起的裂缝。由于混凝土是热的不良导体，当所浇筑的混凝土厚度较大时，混凝土内部由水化热而引起的温度较高，与外界气温形成较大温差， 易形成混凝土表面裂缝。
⑵对支模系统有利。例如在超厚混凝土整板结构转换层施工中， 若采用常规模板支撑体系， 下层楼面将承受较大的施工荷载， 有可能破坏下层结构， 若采用分层浇筑方案，靠第一层先浇板承受后浇板的施工荷载， 可大大减少施工中支模的费用。
⑶可减少混凝土的一次浇筑量，易组织施工。工程实践证明，大体积混凝土分层浇筑法是一种有效的温控措施，为有效利用这种施工方法，必须首先弄清楚分层浇筑过程中的温度场与温度应力场问题。
2大体积混凝土的温度场与应力场计算特点
计算大体积混凝土结构的温度应力，首先根据热传导理论，计算结构各点在各瞬时的温度， 即确定温度场，然后根据结构前后两个温度场之差的温度作用， 按热弹性力学求出温度应力，即确定应力场。大体积混凝土的温度场求解属线性的瞬态温度场问题，温度应力属热弹性力学问题，而关于大体积混凝土温度与温度应力的计算，实践中已有一整套的基于手算的计算理论与公式，但将其应用于分层浇筑的大体积混凝土工程时， 由于温度场与应力场的约束条件的变化， 必然会产生一定的误差。
⑴温度场边界条件的变化。温度场问题即热传导问题，大体积混凝土在施工期由于水泥水化作用而发热，其边界条件一般也随时间变化， 所以大体积混凝土的温度场问题也为有热源的瞬态温度场问题。 而大体积混凝土在分层浇筑中， 下层混凝土与上层混凝土之间存在着浇筑间隙，在浇筑间隙内， 下层混凝土表面与空气接触(第三类边界条件)， 有利于混凝土的散热， 当上层混凝土浇筑完毕后， 下层混凝土表面与上层混凝土接触(第四类边界条件)， 而目前已有的基于手算的计算理论很难反映此时的温度场边界条件的变化。
⑵温度应力场边界条件的变化。 同时考虑下部的混凝土体为新浇筑混凝土，存在着应力松弛与收缩现象，上述因素有利于缓解上部混凝土的温度应力对于大体积混凝土的第一层浇筑层，在龄期为 t 时， 上部浇筑了第二浇筑层（中层）。对于中层， 底层是使其产生温度应力的约束，中层混凝土在降温时， 底层混凝土的约束使其不能自由的收缩， 即对其产生一个向外的拉力即温度拉应力。反过来， 这个对中层的拉应力对于底层来说则是向内的压应力， 即中层对于底层也是一个约束， 这个约束迫使底层收缩，是有利而非有害的。 这也可以从另一方面来解释在浇筑混凝土后，在混凝土内部由于降温差引起的混凝土的收缩量是随着龄期而不断减少的，由于底层比中层先浇筑 s天，故在各时间段中层的收缩量总大于底层由于这两个收缩不同步，其差值将由中层作用于底层上抵消一部分由地面约束带来的较大拉应力，有利于防止贯穿性裂缝的出现。
3 基于 ANSYS的大体积混凝土分层浇筑施工过程的仿真分析
模拟大体积混凝土的浇筑过程需采用 ANSYS 软件的单元 “死活” 功能， 即ekill 命令和 ealive 命令。 在仿真分析中先把整个模型建好并进行全部网格剖分， 再利用 ekill 命令将所有单元 “杀死” ，在计算中，可以按要求激活模型中对应于当前浇筑层中的单元，并施加边界条件， 计算完成后， 先去掉边界条件，再按要求激活下一浇筑层，如此可达到仿真整个结构分层、 分块施工。利用 ANSYS 内部函数 *DO， 并以龄期为荷载步来控制程序的执行和各项参数及边界条件、 初始条件的变化。图l 列出分层浇筑施工阶段仿真分析的简要流程。
图 1 分层浇筑施工阶段仿真分析流程
4 算例分析
⑴算例模型说明
一棱柱体大体积混凝土底板，混凝土为 C35， 配合比见表 l所示，平面尺寸为 50mm×50m， 厚度为 2.1m， 底板浇筑在土壤地基上。底板下土壤地基选取尺寸为70m×70m， 厚度 5m。利用通用有限元软件 ANSYS 对该大体积混凝土施工养护期(28d)进行热 - 结构祸合分析。热分析时， 针对底板及土壤， 选用 Solid70 热单元， 混凝土上部由空气对流散热， 下部混凝土经土壤导热， 土壤四周加绝热边界条件。 结构分析时， 针对底板及土壤， 选用 Solid45 结构单元， 土壤四周加固定约束。对该算例中的混凝土板， 首先选择整体连续浇筑施工方案， 其次选择分层浇筑施工方案， 对两种方案计算结果进行了对比。
表 1 混凝土的配合比
⑵温度场及温度应力场仿真分析结果
经过 Ansys 分析后可知， 整体连续浇筑时混凝土板中心温度最高拉应力达到 3.2MPa，而 C35 混凝土 28d的抗拉强度为 1.607MPa， 由此判断该混凝土板开裂。对该板采用分层浇筑施工方案， 分 3 层浇筑， 每层浇筑厚度为 0.7m， 每层浇筑时间间隔为 5d， 该施工方案下， 混凝土板中心点最高温升为 42℃，其最大温度拉应力为1.37MPa，低于 C35 混凝土 28d 的抗拉强度 1.607MPa，由此判断， 对该混凝土板采用分层浇筑施工方案来预防混凝土开裂可行。
5 结束语
通过分析了分层浇筑大体积混凝土的温度场与温度应力场计算特点上，利用有限元程序NSYS 模拟分层浇筑施工的温度场与温度应力场问题进行了探讨， 并采用一大体积混凝土底板做为算例对其进行了分析与计算， 结果表明， 关于大体积混凝土温度与温度应力的计算， 尽管实践中已有一整套的基于手算的计算理论与公式， 但如将其应用于分层浇筑的大体积混凝土工程时， 由于温度场与应力场的约束条件的变化， 必然会产生一定的误差。因此针对分层浇筑施工法的有限元分析结果表明： 分层浇注的最佳间隔时间应在先浇筑混凝土层达到最高水化热温升的时间附近。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。