汪洋，許俊杰，程偉 （安徽省建筑科學研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031）

1 大體積混凝土整澆仿真分析理論

1.1 仿真計算設(shè)計模型

基于混凝土內(nèi)部溫度場和應力分布的復雜性，則采用ANSYS軟件進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，而任何通過直徑方向?qū)⑵浞珠_均對稱，忽略混凝土的各向異性，通過直徑剖面內(nèi)均不存在熱交換，所以可以選擇任何部分進行設(shè)計計算，設(shè)計建立一個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，計算時忽視深層巖石表面的熱交換。計算模型如圖1所示。

圖1 大體積混凝土設(shè)計模型

1.2 溫度荷載和溫度場設(shè)計

本次計算模型采用的溫度場和荷載參數(shù)如下：

容重（混凝土）：2400kg/m；

比熱容（混凝土）：960J/(kg·K)；

導熱系數(shù)（巖石）：2.2W/(m·K)；

導熱系數(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。

2 溫度及應力計算結(jié)果

2.1 溫度計算結(jié)果

采用以上設(shè)計參數(shù)和相關(guān)規(guī)范，進行混凝土溫度計算模擬。在計算過程中調(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。通過比較選擇上表面的保溫層傳導率2.5 W(m·K)、邊緣保溫材料的傳熱率1.6W(m·K)較為恰當。溫度計算結(jié)果如表1所示。

溫度計算結(jié)果 表1

通過ANSYS有限元軟件計算，混凝土澆筑后大約在140h左右，中心點混凝土溫度最高，約為65 C°，將溫度隨時間變化繪制成曲線如圖2所示（橫軸為時間/h，縱軸為溫度/C°）。

圖2 中心點混凝土溫度變化曲線

分析混凝土內(nèi)部的溫度場分布情況，以混凝土澆筑施工后123h為例，溫度場如圖3所示。

圖3 混凝土內(nèi)部第123h溫度場分布

2.2 應力計算結(jié)果

流體到固體的轉(zhuǎn)變是混凝土形成的一個漸變過程，在這個非常復雜的轉(zhuǎn)變過程中，混凝土形成溫度應力?；炷翉某跄浇K凝大約需要18h，此時間的形成的應力很小，但在混凝土降溫過程中形成的應力才是和混凝土裂縫的產(chǎn)生緊密相關(guān)?；炷翉牧黧w到固體形成過程中產(chǎn)生應力還有收縮因素影響，從而導致混凝土的內(nèi)外收縮不一致，則應當考慮混凝土收縮時產(chǎn)生的附加應力影響。

本工程設(shè)計將混凝土溫度應力作為一個規(guī)律性變化的過程，實際是混凝土澆筑有時間過程的，混凝土具體澆筑時間是與各部分溫度的分布對應的。將18h的溫度場作為ANSYS有限元計算的基準點，從而計算各部分降溫點的溫度應力。

通過計算得到不同時間點的混凝土抗拉強度、第一主應力和徑向應力、環(huán)向應力如表2所示。

應變計算結(jié)果 表2

分析混凝土內(nèi)部應力分布情況，以澆筑后第170h為例，應力分布如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 混凝土內(nèi)部第一主應力分布

圖5 混凝土內(nèi)部環(huán)向應力分布

圖6 混凝土內(nèi)部徑向應力分布

3 計算結(jié)論分析

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)拉應力，拉應力區(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)最大主應力，而最大環(huán)向應力在上表面與側(cè)面相交處，并且最大主應力大于最大環(huán)向應力?？紤]環(huán)向應力逐漸增大，并且拉應力范圍隨溫度變化而變化，所以建議采取相應的構(gòu)造措施，將抗裂鋼筋布置在受拉區(qū)。

應力規(guī)律：根據(jù)計算所采取的熱力學參數(shù)數(shù)據(jù)，各個時間段混凝土的抗拉強度（見表2）均大于混凝土的拉應力，則保證了混凝土內(nèi)外均不出現(xiàn)裂縫。所以應注意在降溫階段時，避免溫降速率過大，在養(yǎng)護期時避免混凝土局部溫度過高或過低，實時監(jiān)控各控制點的應變數(shù)據(jù)，及時有效地指導現(xiàn)場養(yǎng)護。

綜上所述，大體積混凝土整體澆筑施工，可以通過加強溫度監(jiān)控、設(shè)置養(yǎng)護覆蓋物、增設(shè)抗裂鋼筋等控制相關(guān)裂縫的產(chǎn)生。