大體積混凝土水化熱溫度場的現(xiàn)場監(jiān)測及計算分析

1、<p>　　大體積混凝土水化熱溫度場的現(xiàn)場監(jiān)測及計算分析</p><p>　　[摘要]結(jié)合工程實例，介紹了大體積混凝土水化熱溫度場的三維有限元計算方法，并將計算值與實測值進行對比。計算結(jié)果表明該分析方法能較好的模擬大體進混凝土澆筑后其體內(nèi)溫度隨時間及空間的變化規(guī)律，可為施工方案的制定提供詳細的數(shù)據(jù)支持，較好的保證了工程質(zhì)量。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞] 大體積混凝土，有限元

2、，溫度場分析， </p><p>　　Abstract: Combined with engineering practice, a 3-D finite element calculation method of the hydrated temperature field in mass concrete pile cap is introduced. The results shows that this

3、method is able to provide a better simulation to the temperature change in mass concrete. A powerful data support can be provided for establishing the construction scheme and improving the engineering quality. </p>

4、<p>　　Keywords: mass concrete, temperature calculation, comparative analysis </p><p>　　中圖分類號：TU37 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　0 引言 </b></p><p>　　混凝土在澆筑后將產(chǎn)生大量的水化熱，對

5、于厚大體積混凝土而言，內(nèi)部溫度的不斷升高將使得內(nèi)外溫差不斷加大，從而在混凝土表面引起較大的拉應(yīng)力；而在混凝土硬化后期的降溫過程中，由于受到基礎(chǔ)及其他的約束作用，又會在其內(nèi)部引起較大的拉應(yīng)力，這些拉應(yīng)力將導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫?？刂圃擃惲芽p的實質(zhì)即在于控制內(nèi)部升溫速度和溫度梯度。在實際工程中多采用內(nèi)部鋪設(shè)冷卻水管外部進行保溫的方法控制溫差。本文通過具體工程，研究了混規(guī)凝土水化熱溫度場的計算方法，制定了施工方案以保證混凝土的澆筑質(zhì)量，達到了控制

6、裂縫產(chǎn)生的目的。 </p><p><b>　　1 工程概況 </b></p><p>　　某發(fā)電廠二期工程為2×300MW發(fā)電機組，底板結(jié)構(gòu)平面尺寸為30m×12m，厚度為3.5m的整體板式結(jié)構(gòu)，采用強度等級為C30的混凝土。本工程的混凝土于1月～2月澆筑，根據(jù)以往的氣象資料，施工地的平均氣溫為4.7攝氏度且晝夜溫差較大，在整個施工過程中控制底板

7、內(nèi)外溫差，避免有害裂縫的產(chǎn)生是本工程施工的關(guān)鍵。 </p><p>　　2 大體積混凝土內(nèi)部最高溫度計算 </p><p>　　混凝土內(nèi)部最高溫度的影響因素較多，混凝土的澆筑溫度為承臺內(nèi)部溫升的起點，而澆筑溫度由拌合物溫度、拌合溫度、出罐溫度、運輸條件決定，拌合物溫度又取決于混凝土各個組成材料的溫度，澆筑的持續(xù)時間和澆筑氣溫亦對澆筑溫度有一定的影響。顯然，諸多的影響因素將嚴(yán)重干擾澆筑溫度的

8、計算，故在本工程中施工前連續(xù)實地測量混凝土的澆筑溫度以作為控溫方案的制定依據(jù)，在一定程度上減小了誤差。 </p><p><b>　　由公式： </b></p><p><b>　　(1) </b></p><p>　　式中： Tj為混凝土澆筑溫度；mce為每m3混凝土中水泥的用量;Q為每kg水泥的水化熱；C為混凝土比熱容

9、；ρ為混凝土密度；FA為每m3混凝土中粉煤灰的摻量；ξ為系數(shù)。其取值見表1?；炷僚浜媳纫姳?。 </p><p>　　表1混凝土散熱系數(shù)表 </p><p>　　取混凝土的澆筑溫度為7℃，基礎(chǔ)施工季節(jié)的平均氣溫為4.7℃。將以上數(shù)據(jù)帶入公式（1）可得: </p><p><b>　　44.3℃ </b></p><p>

10、;　　由以上計算結(jié)果可見，混凝土澆筑后內(nèi)外溫差接近40度，如果不采取措施降低內(nèi)外溫差，混凝土水化熱將必然引起有害裂縫的出現(xiàn)。 </p><p>　　另外，以上計算過程的簡單便捷是顯而易見的，但是這種方法也有其缺點，主要表現(xiàn)在：此算法只能算得混凝土內(nèi)部的最高溫度而無法知道其內(nèi)部的溫度分布規(guī)律及溫度隨時間的變化趨勢，對于制定施工方案的指導(dǎo)作用有限。 </p><p>　　3 大體積混凝土內(nèi)部溫

11、度場的三維有限元計算 </p><p>　　為了摸清混凝土內(nèi)部溫度隨時間及空間的變化規(guī)律，有必要利用有限元軟件對其進行三維仿真分析。MIDAS/Civil為此類問題提供了有效的解決方案，該程序不僅能計算混凝土內(nèi)部任意一點在任意時刻的溫度，而且可以考慮鋪設(shè)冷卻水管對溫度變化的作用，還可以模擬不同的邊界條件對溫度梯度的影響。本文在計算時考慮在底板內(nèi)部鋪設(shè)兩層蛇形冷卻水管通水12天、外表面鋪草袋保溫的情況，得出了底板內(nèi)

12、部自混凝土澆筑完畢后20天的溫度變化規(guī)律并與實測值進行了對比。 </p><p>　　3.1 計算參數(shù)的選取及邊界條件 </p><p>　　混凝土的澆筑溫度及環(huán)境溫度與前述算法中取值一致，混凝土的絕熱溫升 與齡期t的曲線用（2）式模擬： </p><p><b>　　(2) </b></p><p>　　式中：m是與水

13、泥品種、比表面積及澆筑溫度有關(guān)的常數(shù)，在本工程中其取值通過試驗確定，見表3。 </p><p><b>　　表3參數(shù)m取值表 </b></p><p>　　澆筑溫度/℃ 5 10 15 </p><p>　　m/d-1 0.286 0.301 0.329 </p><p>　　底板的上表面覆蓋有保溫草袋，側(cè)面為模板，下部

14、與基礎(chǔ)接觸。由于底板為對稱結(jié)構(gòu)，故可取1/4部分進行分析，對稱邊界取為絕熱邊界條件。與草袋和模板接觸的面采用混凝土等效放熱系數(shù)加以考慮，根據(jù)有關(guān)文獻[1]提供的參數(shù)，可計算得草袋覆蓋面的等效放熱系數(shù)為11.9kJ/(m2h*k)，模板覆蓋面等效放熱系數(shù)為14.3kJ/(m2h*k)。 </p><p>　　3.2 計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析 </p><p>　　運行分析后便可得出混凝土底

15、板的任一位置在任一時刻的溫度，計算結(jié)果顯示，混凝土底板內(nèi)部的最高溫度為41.2℃，出現(xiàn)在混凝土澆筑之后第三天左右，圖1為溫度最高時刻的底板內(nèi)部溫度分布云圖。 </p><p>　　圖1底板內(nèi)部溫度分布云圖 </p><p>　　圖2底板上部測點溫變曲線 </p><p>　　圖3 底板中部測點溫變曲線 </p><p>　　在混凝土澆筑完畢后

16、，監(jiān)測單位使用JDC-2型建筑電子測溫儀對底板內(nèi)部的不同位置的溫度均進行了跟蹤測試，在底板的上、中、下位置各布置一個測點，整個底板共布置12組共36個測點，采集了15天的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖2、圖3為底板靠近上表面位置、底板中間位置兩個個具有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元計算值的對比曲線。 </p><p>　　由以上結(jié)果可以看出現(xiàn)場監(jiān)測得到的混凝土中部最大溫度為44.5℃，與底板表面的溫度之差在整個監(jiān)測周期內(nèi)均小于25℃

17、，滿足相關(guān)規(guī)范的要球?，F(xiàn)場監(jiān)測溫度與有限元計算結(jié)果相差約3℃，這是由于選取計算參數(shù)時無法做到與現(xiàn)場情況完全相符，在制定溫控方案時通過現(xiàn)場試驗法得到相關(guān)參數(shù)取值已經(jīng)最大限度的減小了這種影響，計算精度完全可以滿足工程要求。 </p><p><b>　　4 結(jié)論與建議 </b></p><p>　?。?）由公式（1）計算大體積混凝土的內(nèi)部溫度概念清晰，簡便可行，在施工組織

18、的前期可迅速量化估計混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的最高溫度，從而判斷是否需要采取降溫措施。 </p><p>　?。?）在具體的降溫方案制定階段就可利用有限元法進行詳細的比選，如內(nèi)部冷卻水管的鋪設(shè)數(shù)量、冷卻水通斷時間、外部保溫層的鋪設(shè)厚度均可通過試算選出最經(jīng)濟的方案。 </p><p>　?。?）利用有限元法計算大體積混凝土的溫度場所需的計算參數(shù)較多，每個參數(shù)的小誤差累積在一起可能導(dǎo)致最后計算結(jié)果的失準(zhǔn)

19、，建議盡可能多的通過工地現(xiàn)場試驗的方法選取相關(guān)參數(shù)。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1] 朱伯芳. 大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M]. 北京：中國電力出版社, 1999. </p><p>　　[2]姜弘道.邊界單元法[M],南京:河海大學(xué)出版社，1996. </p><p&g

20、t;　　[3]許文忠.大體積混凝土基礎(chǔ)溫度裂縫控制施工技術(shù)研究[D].同濟大學(xué),2007 </p><p>　　[4] 袁楊等. 大體積混凝土水化熱溫度場的MATLAB算法[J].特種結(jié)構(gòu)，2010,27(2):28-31 </p><p>　　[5]北京邁達斯技術(shù)有限公司.MIDAS/Civil技術(shù)資料[Z].2002:56-197 </p><p>　　[6]B