深圳某明挖地铁车站混凝土侧墙早期温度场的有限元模拟资料

深圳某明挖地铁车站混凝土侧墙早期温度场的有限元模拟

2006年第3期 铁道建筑

RailwayEngineering49

文章编号:1003.1995(2006)03.0049.04 深圳某明挖地铁车站

混凝土侧墙早期温度场的有限元模拟 陈敏,项彦勇

(北京交通大学土建学院,北京100044)

摘要:使用大型有限元软件ANSYS对混凝土早期在浇筑和养护过程的温度场进行分析.采用2D横断

面模型和水化热函数,考虑双面模板设置,选择深圳市不同季节的表征气温作为环境温度,模拟钢模板,

木模板及拆模时间在不同环境温度下对混凝土早期温度场分布与演变的影响方式.对两种模板的适用

环境与合理拆模时问提出建议,针对不同的模板与使用环境,提出入模温度的要求及措施.

关键词:有限元混凝土水化热温度模板养护 中图分类号:TU528.01文献标识码:A 0前言

国内对大坝混凝土早期温度应力的研究,已经取

得了许多有价值的成果.例如朱伯芳进行了大量混凝 土大坝浇筑温度应力控制研究,在水化热绝热放热,混 凝土徐变,控制温度应力优化设计等方面给出了计算 方法和程序设计….随着地下结构工程的发展,地铁 车站,隧道洞室等狭长混凝土结构物的裂缝问题日益 受到关注.这些裂缝大部分都是在浇筑后不久出现 的,不仅影响结构外观,而且对结构防水和受力性能也 有重大的影响.在混凝土浇筑和养护过程中,由于水 化热作用,拆除模板前,混凝土的温度一般高于外界的 温度;拆除模板后,由于与外界空气接触,混凝土的表 面温度急剧下降,所以在其表面将产生相当大的拉应 力],甚至出现裂缝.而模板的种类,模板拆除的时间 以及浇筑温度对混凝土早期温度场的影响都是很大 的.

本文以深圳某明挖地铁车站的混凝土侧墙施工为 工程背景,用大型有限元软件ANSYS模拟其浇筑和养 护过程中的温度场.分析浇筑季节,模板类型,浇筑时 间,拆模时间和混凝土入模温度对混凝土早期温度场 的影响,并提出混凝土浇筑和养护施工的建议. 1有限元模型 1)工程背景

依据深圳某明挖地铁车站的施工资料,一段现浇 混凝土墙长16m,高4.5m,厚0.6m.在低风速(O一3 m/s)状态下,采用泵送普通混凝土,由底部到顶部分三 次浇筑.新浇筑的混凝土底部与旧混凝土接触,其它 五面与空气接触,分别采用木,钢模板进行养护. 2)有限元模型

由于混凝土墙长度与其宽度和厚度相比较,大了 很多,因此在研究混凝土墙中间横断面的温度时可不

考虑混凝土墙长度方向的边界影响.则相邻横截面可 假设为没有热量交换,从而可将三维问题转化为二维 问题进行建模计算.各部分的模型尺寸为:新浇筑混 凝土:4.5m×0.6m,老混凝土:2m×0.6m,模板:4.5 m×模板厚度(木模板取0.02m,钢模板取0.005m). 具体模型见图1. 图1有限元模型

在ANSYS计算中,采用'杀死'模板单元来模拟拆 摸.模型的边界条件为:新混凝土在拆摸前,上部向空 气对流散热,与旧混凝土和地层之间为无热阻传导;旧 混凝土底部绝热,两侧向空气对流散热;模板外侧向空 气对流散热;拆摸后,新混凝土两侧直接向空气对流散 热.

所用水泥的水化热变化特点为:早期1—3d放热

铁道建筑March.20o6

迅速,放热曲线近似直线上升;中期4.一6d放热逐渐 缓慢;6d后放热曲线近似水平直线发展.为了更好的 模拟混凝土早期的温度场,在早期(0—80h)计算步长 为2h;中期(80h～180h)计算步长为4h;后期(180h 一

240h)计算步长为8h. 2水化热计算公式和模型参数 1)混凝土绝热放热公式

混凝土绝热温升是混凝土温度控制的重要因素, 目前常用的温升表达式有…: Q(r):Q.(1一e一)(1) Q(r)=Q.r/(n+r)(2) Q(r)=Q.(1一e～)(3)

Q(r,T)=Q.(1一e～.)(4)

式中,r为龄期;Q.为最终绝热温升;m,n,a和b为 常数.

这些表达式只考虑了混凝土龄期的作用,而没有 体现混凝土温度以及反应程度对Q的影响.事实上 温度越高,水泥水化反应越快.因此,很多人也在这些 公式的基础上,提出了一些考虑温度影响的温升表达 式.

本文采用一种新的考虑温度影响的混凝土绝热放 热公式:

Qi:Q0,(…xp(-m-exp1一专))Vi (Q./Q..)(5)

式中,Q为第i时间段水泥释放的热量;Q.为第时 间段开始时水泥水化热量;m()为依温度不断变化 的水泥水化热系数,表示水泥水化快慢的参数,与温度 的关系服从Arrhenius方程;反应活化能的取值随 水泥的品种,成份不同而不同,应根据试验或宴测资料 反分析来确定;r为离散时间第i段的长度;(Q./ Q..)表征水泥反应程度对放热的影响,系数'7对于 早强性水泥混凝土建议取1. 2)模板和混凝土热性能参数(见表1). 表1横板和混凝土热性能参数 密度比热导热系数 材料

,(kg/m3)/(k.I/(kg?oC))/(kJ,(m?h-oC)) 混凝土24OO0.9488.595 木模板2501.8oo0.837 钢模板78500.670163.290 3)混凝土中水泥的相关参数

混凝土中水泥用量为320kg/m;水泥水化热为 420kJ/kg;入模温度为20~C;混凝土绝热放热公式中的 水化热放热系数为0.015(1/h);E/取7644K. 4)空气中对流放热系数

固体表面在空气中的放热系数的数值与风速有密 切关系,一般固体表面在空气中的放热系数可以通过 以下两个公式计算: 粗糙表面:=23.9+14.50v(6) 光滑表面:=21.8+13.50v(7)

式中:.代表风速,m/s;卢代表放热系数,kJ/(m2?h ? ℃).

假设在混凝土浇筑养护期间,环境的风速不变,混 凝土,木模板和钢模板的表面对流放热系数为固定值 (其值如下).

混凝土表面对流放热系数为:55kJ/(m2?h?℃); 木模板表面对流放热系数为:49kJ/(m2-h?℃); 钢模板表面对流放热系数为:45l【J/(m2?h?℃). 5)外界环境温度

2004年深圳市1月和7月的气温参见表2.根据 表2记录,假设在深圳夏季施工时,每天的最高气温均 为32.5℃,最低气温为24.6℃,入模温度为20℃.假 设在深圳冬季施工时每天的最高气温均为l9.5℃,最 低气温为l0.2℃,入模温度为20℃.气温日变化可用 余弦函数表示为: 71n=+Ac0s【(￡一to)J(8)

式中,代表气温(cc);r.m代表日平均气温(℃);A 代表气温日变幅(℃);t代表时问(h);t.代表气温最 高的时间(h).

表22004年深圳气象观测摘要 月平均最月平均最月最高月最低时间 高气温低气温气温气温

2004年7月30.5cc26.6℃34.6oC22.7℃ 2004年1月l7.514.2℃23.4oC8.0℃ 3计算分析

在此次混凝土温度场模拟中,选取有代表性的两 点(新浇筑混凝土中心点A和侧面中心点B)的温度变 化历程及两点的温差来进行研究分析.

1)浇筑季节,模板类型,浇筑时间和拆模时间的影响 ①夏季在气温最高时浇筑,分别采用木模板和钢 模板,在浇筑完成24h,36h,48h后拆模.结果如图 2,表3所示.

2006年第3期深圳某明挖地铁车站混凝土侧墙早期温度场的有限元模拟 024487296l20l44l68l922l6240 时问,h (a)术模板养护

024487296l2O144168l922l6240 时问,h (b)钢模板养护

图2A,B两点温度计算值时间历程(夏季.1) 表3A,B两点的最大温差(夏季-1) 类型拆模时间24h36h48h 最大温差,(℃)9.910.66.5 木模板

产生最大温差时的时间,h384038 最大温差,(℃)9.08.98.2 钢模板

产生最大温差时的时间/h383838

⑦夏季在气温最低时浇筑,分别采用木模板和钢 模板,在浇筑完成24h,36h,48h后拆模.结果如表4 所示.

表4A,B两点的最大温差(夏季2) 类型拆模时间24h36h48h(84h) 最大温差/(℃)9.79.39.5(6.0) 木模板

产生最大温差时的时间/h284852(28,50) 最大温差/(℃)9.18.38.3 钢模板

产生最大温差时的时问/h282828

*注:表中括号中的数字代表另一种拆模时间,以使在混凝土养护 期间,最大温差出现在拆模之前.

③冬季在气温最高时浇筑,分别采用木模板和钢 模板,在浇筑完成24h,36h,48h后拆模.结果如表5 所示.

表5A,B两点的最大温差(冬季.1) 类型拆模时间24h36h48h(72h) 最大温差/(℃)l0.0l0.68.5(6.6) 木模板

产生最大温差时的时间,h384060(40) 最大温差/(℃)8.28.17.5 钢模板

产生最大温差时的时间,h383838

*注:表中括号中的数字代表另一种拆模时间,以使在混凝土养护 期间,最大温差出现在拆模之前.

④冬季在气温最低时浇筑,分别采用木模板和钢 模板,在浇筑完成24h,36h,48h后拆模.结果如表6

所示.

表6A,B两点的最大温差(冬季-2) 类型拆模时间24b36h48h(72b) 最大温差,(℃)10.49.49.8(6.2) 木模板

产生最大温差时的时间/h284852(50) 最大温差/(℃)8.57.87.8 钢模板

产生最大温差时的时间,h282828

*注:表中括号中的数字代表另一种模时间,以使在混凝土养护 期间,最大温差出现在拆模之前.

可以看出,采用木模板比采用钢模板A,B两点混 凝土的绝对温升要高,并且采用木模板拆摸的时间对 A,B两点的温度变化的影响是很明显的;相反地,采用 钢模板拆摸,其时间对A,B两点的温度变化的影响是 微乎其微的.产生这种现象的原因是由于木模板的保 温性能要大大优于钢模板,采用木模板比采用钢模板 能使B点受外界环境温度的影响小.

从表3,表4,表5和表6中可以看出,只要拆模时 间比较长,使A,B两点最大温差出现在拆模之前,还 是选用木模板能使两点温差小.但是如果选择木模板 的时候,拆模时间选择不合理,反而会使A,B两点的 最大温差较大.

从产生最大温差的时间来看,一般发生在模板拆 除的时间前后,或者发生在外部环境温度在最低的时 间.因此,拆除模板的时候应尽可能错开这些时间. 2)混凝土入模温度的影响

在混凝土的早期温度场中,混凝土的入模温度是 一

个重要因素,它是新浇筑混凝土的起始温度.图3 和图4就是在采用木模板时,入模温度不同条件下的 A,B两点温度计算值时间历程. 如勰加弘¨如勰加 _,哺

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52铁道建筑March,2006

夏季气温最高时浇筑,拆模时间为72h,入模温度 分别为2O℃,29℃时,A,B两点的温度变化如图3. 冬季气温最高时浇筑,拆模时间为72h,入模温度分别 为2O℃,l5℃时,A,B两点的温度变化如图4. 从图3和表7可以看出,无论是夏季施工还是冬 季施工,混凝土入模温度越高,A,B两点的最大温差越 大.这是由于入模温度越高,早期混凝土的水化反应 越快,释放的热量也越多,从而导致混凝土整体温度的 升高,而由于混凝土表面散热的影响,使混凝土中心点 和表面上的温差更容易加剧. 024487296120l44168192216240 时间,h

图3A,B两点温度计算值时间历程(木模板,夏季) 024487296l20l44l68I922l6240 时间,h

图4A,B两点温度计算值时问历程(木模板,冬季) 袭7A,B两点的最大温差(木模板) 季节人模温度l5qC20℃29℃ 最大温差,(℃)6.58.1 夏季

产生最大温差时的时间,h38l8 最大温差/(℃)6.26.6 冬季

产生最大温差时的时间/h8838 4结论

使用ANSYS软件,对深圳某明挖地铁车站混凝土 侧墙早期温度场进行有限元模拟.通过分析浇筑季 节,模板类型,浇筑时间,拆模时间和入模温度对混凝 土早期温度场的影响,为减小侧墙混凝土表面和中心 点的温差,对深圳地铁隧道侧墙的混凝土施:【和养护, 提出以下几点建议:

1)不论是夏季还是秋季施工,应尽可能地采用木 模板来施工,如遇气温变化更加剧烈的天气,还应采取 保温性能更好的模板材料进行施工,如泡沫模板; 2)在采用木模板施工的时候,应尽可能延长拆模 的时间;

3)应尽可能地避免在外界气温最低或混凝土中心 点温度最高时拆模;

4)浇筑时,在不影响混凝土强度增长的基础上,采 取适当方法降低混凝土的入模温度. 参考文献

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