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)
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?;炷梁蛶r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(chēng),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
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。
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(xiàn)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(xiàn)
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
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?;炷翉某跄浇K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)?;炷翉牧黧w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
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??紤]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。