基于有限元的高层核心筒底板大体积混凝土水化热研究分析

基于有限元的高层核心筒底板大体积混凝土水化热研究分析

车乘乘

杭州亚运村建设有限公司浙江杭州 311215

摘要：文章以杭州某高层写字楼为例，运用有限元软件Midas/Civil建立实体模型，针对核心筒底板大体积混凝土水化热温度应力场进行分析研究，得到核心筒底板的温度场分布规律，并提出防止施工过程中由于温度变化及水化热等因素引起裂缝的控制措施，以期为类似工程设计施工提供相应的技术参考。

关键词：水化热分析；有限元软件；大体积混凝土；温度控制

前言

随着高层建筑及地下结构的发展，大体积混凝土基础的应用已非常普遍，然而在具体施工中，由于大体积混凝土具有浇筑难度大、温度控制复杂等特征，导致大体积混凝土结构施工质量良莠不齐，进而严重影响了建筑工程的总体结构强度^[1]。

在大体积混凝土结构施工过程中，采取有效的措施控制由温度应力引起的裂缝是保证施工质量的关键^[2]。温度应力是由混凝土内部水化热和外部散热所产生的温差引起，因此，控制温度裂缝的产生实质上是控制大体积混凝土的温度梯度^[3]。合理选取温控措施的关键是混凝土温度场的计算，目前主要的计算方法为经验公式法，但该方法未能考虑混凝土内部温度的连续性。因此，研究用有限元软件对大体积混凝土水化热进行研究分析具有重要的意义，现以杭州某高层写字楼为例进行介绍。

1、项目概况及模型建立 

项目地块东西长98m，南北长242m，占地面积23716m²，地下设3层整体地下室，大面底板厚度为0.7m、1.0m和2.35m。其中写字楼核心筒底板区域为长13.1m，宽12.6m，深8.1m的电梯井深坑，中心部分为长3.15m，宽2.5m，深4.3m的电梯井，属于大体积混凝土浇筑。

本文采用Midas/Civil软件模拟写字楼核心筒底板区域浇筑温度场，由于模型具有对称性，所以这里只取1／4进行建模和分析。为准确反映底板的约束情况及水化热传导过程，在底板结构底部设置3m厚地基，长、宽为结构外边缘各向外扩展3m，即地基尺寸长9m×宽9m×厚3m。模型共有1398个节点，1052个实体单元，所建立的三维模型见图1。

图1Midas/Civil模型

2、模型计算参数

根据《大体积混凝土施工标准》(GB50496-2018)、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）、《大体积混凝土温度应力与温度控制》以及《工程地基勘察报告》，结合现场施工材料计算得到模型中的相关参数，主要计算参数见表1。

根据项目实施安排，核心筒底板区域混凝土的浇筑时间在7月，查询杭州往年的温度为25~34℃，因此模型大气温度设置为30℃。为了防止浇筑过程混凝土中心温度过高，需要严格控制入模温度，模型入模温度设置为25℃。

表1主要计算参数

3、水化热温度场分析

图2为写字楼核心筒底板区域170h模型温度云图，通过分析可知：核心筒混凝土内部温度峰值出现在浇筑后170h左右，最高温度为58.93℃，达到峰值后开始降温。

图2 170h模型温度云图

在核心筒混凝土内部核心位置处的温度达到峰值的时间较非核心区域的点慢，且达到峰值后降温速度慢，越靠近核心温度越高降温越慢。中心区域温度与靠近表面处和电梯井处温度峰值差值较大，而且靠近表面处和电梯井处温度峰值持续时间少，降温时间快，并在较短的时间内达到较为稳定的状态。

核心筒混凝土最大降温速率为0.8℃／d，降温速率<2℃／d，满足温控要求。

4、温度应力场分析 

通过分析可知：混凝土浇筑后，随着水化热作用的进行，核心筒混凝土表面与中心温差加大，表面出现拉应力，中心为压应力。这是由于内外温差的不断增大，导致两者的变形不一致，表面对中心有阻碍作用，因此在表面产生不断增大的拉应力，中心区域为压应力。在浇筑后第170h左右出现最大拉应力，大小为2.66MPa，随后随着水化热作用的不断减小，内外温差的减小，表面拉应力和中心压应力减小。

5、结论

本文以杭州某高层写字楼为背景，利用大型有限元计算软件Midas/Civil建立了核心筒底板混凝土的仿真模型，对大体积混凝土施工期间的水化热温度应力场进行了研究，研究成果可用于指导施工，建议优化措施如下：

(1)优化混凝土配合比，选择优良的混凝土外加剂，控制混凝土中水泥的用量，选择水化热较低的水泥，这是降低混凝土内部水化热最直接、有效的方式。

 (2)控制混凝土入模温度。天气温度超过25℃时，跟踪测量混凝土搅拌站的储料仓内各原材温度，若原材料温度过高，石子、砂浇水降温，并用低温水搅拌，确保水泥、砂、石子温度不高于25℃，水的温度不高于20℃，从而防止混凝土入模温度过高。

 (3)混凝土的水化热及养护措施均采用“内排外保”的方式，即内部利用冷却管循环水控制大体积混凝土内部升温；外部采用蓄水养护措施对混凝土表面进行保温保湿及覆盖养护，可在混凝土表面覆盖聚氯乙烯薄膜和一层棉毡并辅以定期喷水养护作为保温养护措施。

实践证明，上述措施可以有效控制混凝土水化热，提高混凝土施工质量，降低施工成本，从而获得良好的经济及技术效益。

参考文献：

[1]毋扬贵.建筑工程中大体积混凝土结构施工技术研究[Ｊ]．建材与装饰,2020(1):47-48.

[2]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M]．北京：中国水利水电出版社,2012.8.

[3]王铁梦.工程结构裂缝控制[M]．北京：中国建筑工业出版社,1997.8.

作者简介：车乘乘（1986-），男，汉，浙江舟山人，工程师，硕士，主要从事工程项目管理工作，E-mail：879180060@qq.com。