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)
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
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。
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
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
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。