基于COMSOL有限元模拟大体积混凝土温度裂缝研究
吴建辉;周双喜
【摘 要】为控制基础大体积混凝土施工因水化热过大产生的温度裂缝,在对筏板基础大体积混凝土施工温度监测的基础上,采用有限元软件comsol对筏板基础进行温度场仿真模拟分析,研究筏板基础温度变化曲线及温度场随时间变化规律.模拟结果表明:采用有限元软件comsol 对筏板基础进行温度模拟,模拟结果与实测数据基本吻合,说明可以用数值模拟方法,预测大体积混凝土在不同浇注温度及导热系数影响因素下温度变化趋势.
【期刊名称】《珠江水运》
【年(卷),期】2018(000)024
【总页数】3页(P80-82)
【关键词】筏板基础;浇筑温度;导热系数;数值模拟
【作 者】吴建辉;周双喜
【作者单位】江西省航务勘测设计院;华东交通大学土木建筑学院
【正文语种】中 文
水坝、筏形基础等大体积混凝土结构因混凝土尺寸较大，水泥水化热散失较慢，混凝土浇筑后因内外温差过大，产生较大温度应力使混凝土产生表面裂缝，严重的将造成深层裂缝或贯穿裂缝。因此对大体积混凝土温度影响因素进行研究，无论是对建筑物的耐久性还是使用寿命均有重要意义。在混凝土配合比设计中，掺加一些改性材料可以减少混凝土的水化热，降低混凝土最大温度，减少混凝土裂缝的产生。近年来计算机模拟仿真发展迅速，通过模拟仿真的方法研究大体积混凝土温度裂缝，对控制温度裂缝的研究提供了新途径。
本文以实际工程为例建立筏形基础模型，以瞬态热传导方程为基础，将模型导入comsol模拟筏板基础温度变化，与实测数据
进行对比分析。推测其产生裂缝的原因，再模拟分析不同导热系数和浇筑温度时大体积混凝土温度变化规律，并对其产生影响效果进行对比分析，可为预防大体积混凝土开裂提供理论依据。
1．工程概况及实测数据
1.1 工程概况cracks什么意思中文
某大型筏形基础，基础埋深12m，基础平面尺寸为48m×48m，厚度2.2m，筏板中心局部厚度3.2m。混凝土设计强度为C40，选用P.S32.5R级水泥，28d抗压强度为41.4Mpa。用C40 P8混凝土5200m³进行浇筑，该大体积混凝土工程在冬季施工，在混凝土中加入热水搅拌防止冻害，浇筑温度控制在8℃～12℃，从北向南斜面分层进行一次性浇筑。
1.2 测温点分布
根据筏型基础的对称性和温度变化的一般规律，在筏型基础的中心对称线不同位置布置测点。
1.3 测试结果及分析（图2）
在筏板基础中心线两侧选取有意义三点，用温度传感器对不同深度测点处的混凝土温度进行监测，绘出测点A、B、C处（顶部、中部、底部）的温度-时间曲线。观察到测点A处顶部与
中部在浇筑混凝土后2.5d内外温差超过25℃，一直持续到第7d，会产生较大温度应力，导致筏形基础产生温度裂缝。
三处测点顶部与中部温度峰值差值均大于25℃，超过大体积混凝土施工规范标准25℃，可能会产生温度裂缝；但测点A、B、C处底部与中部混凝土温度差值均小于25℃，因底部混凝土与土体接触，未于外界形成对流，热量散失较慢，所以混凝土底部与中部测点之间温差值不大。混凝土表面与外界气温差过大是因为在冬季施工，外界气温偏低，混凝土内部水泥未完全水化反应，仍处于放热状态，从而导致混凝土内部温度与外界温度数值相差较大。测点A处先与B、C点进行浇筑，72h左右中部温度值达到最高，最高温度为51.3℃，与顶部温差约为27.2℃，选取A点对其温度变化进行模拟计算，测点B处位于筏板基础厚度最大处，峰值最大为53.5℃，三处测点温度20d后变化趋于平缓，但温度仍在缓慢下降。
图1 不同测点分布位置
2．模拟参数设定及网格划分
2.1 模型建立及参数设定
根据文献中工程实例建立三维模型，其基础平面尺寸为48m×48m，厚度2.2m，局部厚度3.2m。将该模型导入comsol软件进行网格细分，再分析测点A处混凝土温度变化，该工程混凝土的热力学参数如表1所示。
图2 不同位置监测点温度-时间变化
2.2 网格划分
将建立的三维模型导入comsol软件中，进行网格划分，由下图可以看出，网格划分较好，进行有限元计算可以得到较为精确的结果；输入材料的基本参数及设定的外界条件，以天（d）作为计算单位，混凝土温度测试时间为20d，步长为3d，利用comsol软件，对在筏板基础中选取的测点进行模拟计算，与实测数据进行对比分析。
2.3 初始和边界条件设定
（1）混凝土在冬季进行浇筑，因此混凝土初始温度设置为 12.7℃。左右两侧设置为绝热边界条件，并且考虑热固耦合将四周及底部设置为固定约束。为了将混凝土裂缝降到最少，结合 COMSOL 参数化扫描，将导热系数设置为变量 T1（2.3(W/(m.k))-10.3(W/(m.k))）。
（2）当环境温度为恒定时，求得混凝土测点A处中心点和顶部温度的变化规律；得出在不同厚度的监测点温度变化，其余条件如（1）设置。
（3）同时考虑外界温度的影响，将混凝土的外界温度设置为变量 T2（其范围为5℃-25℃），而浇筑温度 12.7℃保持不变，其余条件如（1）设置。
表1 材料的基本参数材料 导热系数（W/(m.K)）比热容（J/(kg.K)）密度（kg/m3）混凝土 2.3 960 2411
图3 网格划分及独立性检验
3. 模型有效性验证
为了验证本文数值模型的有效性，将测点处模拟温度数据与何廷树、谷丰吉等的混凝土温度实测数据对比分析。上述学者先通过实验确定混凝土施工配合比，再用温度传感器监测不同测点处浇筑混凝土后20天温度变化，本文通过观察模拟温度曲线
与实测温度曲线拟合是否在误差允许范围之类，由此来论证该仿真模拟可靠程度。
如图4所示，comsol计算得到的A处（顶部、中部）温度数值与现场实测曲线基本吻合，数值相差不大，comsol仿真所得到的数据与实测数据误差均在5%以内，证明该comsol模型具有一定可靠性，可以用来分析在不同影响因素下筏形基础内温度场变化。
根据图4计算结果可知，筏形基础混凝土表面和内部均有可能出现温度裂缝，用comsol对大体积混凝土在不同浇筑温度和导热系数下温度场进行模拟，分析测点A处顶部与中部温度梯度是否小于25℃，符合大体积混凝土规范要求。
由表2计算可知，在混凝土浇筑结束后，筏板基础混凝土温度持续升高，呈线性变化，测试点处温度在3天左右达到温度峰值，然后温度开始缓慢下降，呈非线性变化，A点中心处温度在20d后下降到33℃左右。A点混凝土内外温差最大值为29℃，超过大体积混凝土规范内外温差最大值25℃，可能会产生温度裂缝。原因是因其采用一次性浇筑，未进行分层浇筑，造成筏板基础混凝土内部聚集热量过多，无法及时散出多余热量，导致筏板基础内外温差过大。

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