大体积混凝土施工期温度应力分析

大体积混凝土施工期温度应力分析

0混凝土浇筑温度应力混凝土的原料经过搅拌、运输、平衡、泵送和层压。当覆盖新混凝土时，旧混凝土的温度是混凝土形成部分的温度。控制大体积混凝土裂缝的产生与发展,首要控制的是混凝土的温度,因此从温控的角度来看,混凝土的浇筑温度对混凝土的温度应力起着重要的作用。大体积混凝土的温度应力的研究一直以来主要是材料的组成、水化热的释放速度、养护技术、降温措施、抗裂设计方法等,不管是那一种方法都存在一定的问题。本文根据大体积混凝土温度应力的最大影响因素之一的浇筑温度,利用ANSYS结构分析软件,分析了浇筑温度变化对大体积混凝土温度应力的影响,以求得对温度应力的控制,从而达到控制大体积混凝土抗裂的目的。1混凝土中温度系数的确定式中:T1为入仓温度;Ta为气温;R为太阳辐射热;β为表面放热系数;φ1为平仓以前的温度系数;φ2为平仓以后的温度系数;τ为从混凝土入仓后到平仓前所经历的时间(min);k为经验系数。由于平仓前的情况比较复杂,故在施工过程中现场应进行混凝土拌和物温度量测,根据实测结果确定系数。在缺乏实测资料时,可以取k=0.0030(1/min)。2不同浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响在结构模拟分析中采用嵌固板模型,即平面尺寸采用较大尺寸(所采用的混凝土底板平面尺寸为100m×50m)。基础为岩石基础,即为刚性约束,其他各边自由。混凝土的上部和侧面与空气接触,下面通过岩石基础导热。把基础视为无限大物体,在ANSYS建模时,取长度和宽度为混凝土底板的2倍。基础的埋深取10m,岩石基础除上表面外,其他各面均采用三向固定约束。在其他因素相同的情况下,混凝土浇筑前采用相应的降温措施,使混凝土具有不同的浇筑温度来分析混凝土的温度应力场。选用有限元软件ANSYS进行混凝土的温升与时间关系分析时,分别取混凝土的浇筑温度为25℃、30℃、35℃、40℃4种情况,用ANSYS模拟后,对所得结果进行分析,绘出不同浇筑温度情况下的温度与龄期的关系曲线图,如图1所示。从图1中可以看出,当浇筑温度不同时,混凝土的温度曲线也相应产生变化,混凝土的最高温度随着浇筑温度的升高而升高。如当浇筑温度为25℃时,最高温度为58.53℃;当浇筑温度为40℃时,最高温度达到70.31℃。同时当浇筑温度较高时,混凝土的最高温度出现的时间相对也较早,说明较高的浇筑温度会使水泥的水化速度提高。同样,利用ANSYS的热-结构耦合功能将上面的温度作为荷载施加到大体积混凝土结构上,便可得到不同龄期时结构的温度应力,将模拟结果分析并处理,便得到第一主应力随龄期的变化曲线,如下页图2所示。从图2中可以看出,当浇筑温度越高时,结构所产生的温度应力越大。如当浇筑温度分别为25℃、30℃、35℃、40℃时,结构的第一主应力分别为2.86MPa、3.20MPa、3.54MPa、3.92MPa,其关系基本为线性关系,即浇筑温度每提高1℃,结构的第一主应力便增大2.47%。由此可以看出,浇筑温度对温度应力的影响是比较大的。另外,从不同的浇筑温度分析最大温度应力出现的时间可以发现,浇筑温度高,最大温度应力出现的时间晚,但差别并不大,浇筑温度约每差10℃,最大温度应力出现的时间差为1d。为了更好地分析浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响,将不同浇筑温度下大体积混凝土的降温差与龄期的关系、内外温差与龄期的关系分别绘制,如图3、图4所示。从图3、图4均可以看出,大体积混凝土的降温差和内外温差都是随着浇筑温度的增加而增加,且最大降温差和最大内外温差均随着浇筑温度的增大使其发生的时间有所提前。同时,由于大体积混凝土的温度应力与降温差和内外温差均有密切的关系,从而可以看出,混凝土温度应力一定也是随着浇筑温度的增加而增加,并且都是呈线性变化的,这与实际情况完全相符。3混凝土出机口温度由ANSYS的仿真结果可以看出,控制浇筑温度可以有效地降低大体积混凝土底板的温度应力。因此,在浇筑混凝土的过程中,应尽量地降低混凝土的浇筑温度。为此,可以通过降低出机口温度、入仓温度等来降低混凝土的浇筑温度。混凝土出机口温度T0可按下式进行计算T0=(cs+cwqs)WsTs+(cg+cwqg)WgTg+ccWcTc+cw(Ww−qsWs−qgWg)TwcsWs+cgWg+ccWc+cgWw(3)Τ0=(cs+cwqs)WsΤs+(cg+cwqg)WgΤg+ccWcΤc+cw(Ww-qsWs-qgWg)ΤwcsWs+cgWg+ccWc+cgWw(3)式中:cs、cg、cc、cw分别为砂、石、水泥和水的比热;qs、qg分别为砂、石的含水量;Ws、Wg、Wc、Ww分别为每m3混凝土中砂、石、水泥、和水的质量;Ts、Tg、Tc、Tw分别为砂、石、水泥和水的温度。从式(3)可以看出,砂、石、水泥、水等各种材料对混凝土的出机口温度均有影响,但从配合比设计中材料的性能匹配性原理出发,由砂、石、水泥的矿物质应接近的原则可知,砂、石、水泥的比热应接近。从大体积混凝土的配合比可知,石、砂的质量约为水泥的4.5倍和3.5倍。从式(3)还可看出,石子温度的影响最大,其次是砂子和水的温度,水泥温度的影响较小。所以,为了降低混凝土出机口温度,最有效的方法是降低石子和砂子的温度(如覆盖等),因为石子和砂子的温度每降低1℃,可分别使混凝土温度下降约0.63℃和0.19℃;另外,还可采用中、低热水泥等。入仓前的运输与振捣对混凝土的浇筑温度影响也很大,这一过程伴随着气候和摩擦的热量倒灌。为了减少热量倒灌,可采取以下方法:(1)对混凝土运输用的罐车和泵管采用覆盖的方法。(2)减少混凝土的运输时间。(3)减少混凝土输送管的弯头,尤其是90℃弯头,尽可能增大输送管的管径。(4)减少混凝土罐车在工地的停留时间。(5)严禁混凝土的过振等。4浇筑温度的影响(1)当浇筑温度较高时,混凝土的温度相对也高,且混凝土的最高温度出现的时间相对也较早,说明较高的浇筑温度会使水泥的水化速度提高。(2)结构的第一主应力随着浇筑温度的提高而增大,且为线性关系,浇筑温度每提高1℃,结构的第一主应力增大2.47%。(3)浇筑温度高,最大温度应力出现的时间晚,但差别并不大,浇筑温度约每差10℃,最大温度应力出现的时间差为24h。(4)大体积混凝土的降温差和内外温差均随浇筑温度的增加而增加,且最大降温差和最大内外温差均随浇筑温度的增大