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超高层建筑筏板基础温度应力的分析研究
收录时间:2022-11-25 21:36:16  浏览:0
l7 0 四川建筑科学研究 S ie h ua n Build ing S cie nce 第 3 9卷第2期 2 0 1 3年 4月 超高层建筑筏板基础温度应力的分析研究 于敬海 包立刚 刘 芳 1 天津大学建筑设计研究院 天津3 0 0 0 7 2 2 天津市金厦建筑规划设计有限公司 天津3 0 0 0 7 4 摘要 采用温度应力计算理论 以天津滨海新区响螺湾某工程为例 选取 1 4底板计算模型 采用 A N S Y S软件进 行有限元分析 分析了底板混凝土 1 2 天的温度场分布和变化规律 将有限元计算结果与现场实测数据作对比 计 算结果表明 有限元仿真计算可以有效的模拟施工期温度场随龄期的变化 为采取温度控制措施防止温度裂缝提 供计算分析数据 关键词 大体积 昆 凝土 温度应力 温度场 有限元分析 中图分类号 T U 5 2 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 3 0 2 1 7 0一 o 4 Te mp e r a t ur e s t r e s s r e s e a r ch o n r a f t f o u n d a t io n o f hig h r is e b u ild in g YU J in g h a i B AO L ig a n g L I U F a n g 1 A ca d e m y o f A r ch i t e ct u r a l D e s ig n T i a n j i n U n i v e r s i t y T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 C h i n a 2 J i n s h a A r ch i t e ct u r a l P la n n in g a n d D e s i g n C o L t d T i a n j i n 3 0 0 0 7 4 C h i n a A b s t r a ct 1 4 co n cr e t e flo o r o f a p r o j e ct o f X i a n g lu o w a n i n T ia n j in B in h a i N e w A r e a w a s s e le ct e d a n d a n a l y z e d u s in g A N S Y S fin i t e e le me n t s o f t wa r e T h e t e mp e r a t u r e fi e ld d is t r ib u t io n a n d mu t a t iv e d is cip lin e s in 1 2 d a y s o f s la b co n cr e t e w e r e r e s e a r ch e d T h e r e s u h s o f t h e fi n it e e le me n t a n al y s is w e r e co mp a r e d wit h t h e me a s u r e d d a t a t o fi n d t h a t fi n it e e le me n t s imu la t io n ca lcu la t io n ca n s imu la t e t h e t e mp e r a t u r e fi e ld ch a n g e s wit h a g e e f f e ct iv e ly a n d p r o v id e r e f e r e n ce f o r t a k in g t e mp e r a t u r e co n t r o llin g me a s u r e s t o p r e v e n t t e mp e r a t u r e cr a ck s Ke y wo r ds ma s s co n cr e t e t e mp e r a t ur e s t r e s s t e mp e r a t ur e fi e ld fi nit e e le me n t a n a ly s is 0 前言 大体积混凝土裂缝问题是混凝土设计与施工 中 的重要课题 近年来 国内外研究 人员对于大体 积混凝土温度场研究越来越重视 张岫文等人 J 引入成熟度 混凝 土养护 时间与养护温度的乘积 的概念对混凝土温度场的有限元计算方法进行了改 进 计算结果更为合理 杨秋玲 利用 S U P E R S A P 软件对大体积混凝 土的温度场进行分析研究 得 出 边界条件的选取不 同 温度场的分布呈规律性变化 卢玉林等人 4 通过数值模拟的方法 对大体积混凝 土挡土墙进行了研究 得 出了挡土墙混凝土温度场 的分布规律 为温度裂缝的预防提供 了预测指导 史 巍等学者 对相变储能大体积混凝土进行了研究 通过在混凝土中掺人相变材料来控制温度场内外温 差及 昆 凝土的升降温速率 以期能够从根本上防止 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 1 4 作者简介 于敬海 1 9 6 5一 男 博士 研究员 副总工程 师 主要 从 事复杂结构体系设计 与研究 E ma il YJ H3 0 0 0 7 2 1 6 3 co m 温度裂缝产生 A n k a I l c 等国外学者 提 出了一种 新的早龄期混凝土温度 预测数值软件 在程序 中采 用了一种人工神经 网路 可以使设计者通过绝 热水 化曲线研究混凝土初始参数对温度场变化的影 响 以及任意点的温度变化规律 大坝 桥墩等大体积混凝土温度场的研究起步 较早且已经取得了很多理论成果 但对超高层基础 厚底板大体积混凝土温度场方面的数值模拟研究较 少 随着超高层建筑的不断增多 基础底板大体积混 凝土温度场的研究越来越重要 本文以天津响螺湾 某实际工程现场温度监测试验 为基础 探讨温度 场的有限元分析 得 出超高层建筑厚基础底板混凝 土温度场的一些规律及结论 运用有限元方法对厚 底板基础混凝土温度场进行研究 可 以有效快捷地 得到温度场的分布规律 对预先采取措施 防止温度 裂缝的出现 保证施工质量具有重要作用 1 瞬态温度场计算理论 有限元计算采用 S O L I D 7 0单元 以节点 的温度 为***度 其瞬态温度场的计算实质是三维非稳态 导热方程在特定边界条件和初始条件下 的求解 导 于敬海 等 超高层建筑筏板基础温度应力的分析研究 1 71 热方程为 OT 等 韭O y 2 警 O 0a 1 I 一 I l J a r a a 孑 a 丁 式 中 0为导温系数 口 m h A为导热系数 W m K C 为质量热容 k J k g K P为密度 k g m 0为混凝土的绝热温升 o r为时间 h 初始条件是在初始瞬时 温度场的分布规律 即 当 r 0时 T z 0 T o Y 常数 2 初始瞬时温度通常采用大体积混凝土开始浇筑 时的温度 即人模温度 水泥水化热量 Q随龄期和温度变化 采用指数 式计算 Q r Q 1一e 3 式中 Q 为在龄期 时的累计水化热 k J k g Q 为 一 时的最终水化热 k J k g 常数 m随水泥 品种 比表面积及浇筑温度不同而不同 2温度场分析的有限元模型建立 2 1 有限元计算假定 由于混凝土材料的非均匀性 以及环境等诸多因 素会对大体积混凝 土的温度场产生影响 计算时采 用 了以下的假定 J 1 假定混凝土为各向同性材料 结构构件在 温 度及荷载作用下材料处 于弹性范 围 结构构件温度 变形符合贝努利平面假定 2 基础的 昆凝土不发生收缩变形 连续浇筑等影响 2 2 模型建立及网格划分 大体积筏板基础长 3 0 4 m 宽3 0 4 m 厚度 2 4 m 电梯井厚 2 4 m 局部 降低 2 7 m 底部为土壤 长 5 0 4 m 宽 5 0 4 m 厚度为 6 m 忽略了混凝土 桩对筏板水化热的影响 在建模时 将筏板视为长方 体 由于结构对称 只取 1 4进行有限元计算 整 体 网格划分和混凝土网格划分见 图 1和图 2 图 1 实体整体单元 网格 Fig 1 The e nt ir e t y unit g r id o ft he s u bs t ance 图 2 混凝土单元网格 F ig 2 Un it g r id o f t h e co n cr e t e 3 水泥水化放热率是时间的函数 与空间变量 无关 2 3 参数及边界条件 4 将基础看作一个整体 不考虑分层浇筑 非 各项热力学基本参数见表 1 表 1 各项热力学基本参数 Ta ble 1 Var iou s kinds o f ba s ic th e r mo dy na m ic par a me t e r s 混凝土的浇筑温度为 3 0 大气的平均温度采 用正弦函数 1 5 0 5 0 s i n I 一 6 5 l 草 L 1 二 J 袋厚度为0 0 4 m 导热系数为0 5 0 4 k J m h o C 对于施工期混凝土不稳定温度场的计算 通常 采用 四类边界条件 本文有限元分析采取 了两个 边界条件 表面与空气接触 采用固体与流体接触 的第三类边界条件 即经过混凝土表 面的热流量与 混凝土表面温度和气温的差值成正 比 地基与底 板接触连续 在接触面上温度相 同 同时温度传导 热流量连续 为第 四类边界条件 1 第三类边界条件 当混凝土与空气接触时 经过混凝土表 面的热 流量为 A 一 T T 4 o 式中 为表面放热系数 k J m d 当表 面放热系数 趋于无限时 T 即转化为第一类 边界条件 当表面放热系数 0时 O T O n 0 又 转化为绝热条件 此类边界条件表示了固体与流体 1 7 2 四川建筑科学研究 第 3 9卷 接触时的传热条件 2 第四类边界条件 当两种不同的固体接触时 如果接触 良好 则在 接触面上温度和热流量都是连续 的 边界条件如下 TI 1 A j 如果两固体之间接触*** 则温度是不连续的 这时需要引入接触热阻的概念 假设接触缝隙中的 热容量可以忽略 那么接触面上热流量应保持平衡 因此边界条件如下 A c 1 A A z J 式中R 因接触不 良而产生的热阻 由试验确 定 2 4有限元结果分析 为与实测值对 比 从温度应力计算结果中选取 A点 计算值 绘制温度曲线如图3 4 所示 温度应 力 云图见 图 5 枢 时间m 图 3 A点各测点温度一 时 间历程 曲线 F ig 3 Te mp e r a t u r e Tim e cu r v e o f p o in t s in A a r e a 图 4 电梯井处 A点沿高度温度变化 Fig 4 Te mpe r a t ur e cha ng e s wit h he ig ht of A po in t in t he e le v a t or s ha f t a r e a 6 7 0 6 1 9 31 31 9 1 4 44 51 7 5 7 1 21 3 0 0 8 25 61 2 3 8 2 5 5 O 8 1 9 6 3 4 2 3 6 7 48 1 7 56 9 28 3 9 3 9 21 1 5 0 0 32 1 2 l5 9 22 98 3 3 8 01 4 4 6 22 5 5 4 4 3 图 5混凝土浇筑后 5 d和 1 0 d时的温度云图 Fig 5 Te mpe r a t ur e imag e s of t he 5 d a nd 1 0 d co ncr e t e 1 从图 3 4中可 以看出 表面测温点受环境 温度场较均匀 表面与中间温度相差不大 曲线较为 影响较大 波动较剧烈 但 中心点和下表面点曲线平 平直 升温阶段 由于下表面浇筑在土壤上 土壤温 缓 几乎不受环境影响 最早达到最高温度的是表 度较低 与中心处温差较大 使得上表面混凝土温度 面点 在第二天可以达到 中心最高温度出现 的时 低于下表面混凝土的温度 随着龄期的增长 曲线 问滞后大约一天的时间 由于中心散热慢 水化热不 中间逐渐右 凸 但 上下 表面温差不大 降温 阶段 断积累 混凝土内部最高温度出现的时间滞后表面 2 4 m底板整体降温幅度大于电梯井沉降基础 所 和与土壤接触 的下表面最高温度出现的时间 以在变截面 以上 曲线随着龄期前倾 上表 面散热 2 从图 4看 出 冈 0 浇筑第一 天时 7 昆凝土整体 较快 上下表面温差 比升温时大 2 0 1 3 N o 2 于敬海 等 超高层建筑筏板基础温度应力的分析研究 1 7 3 3 图 4 a 中的电梯 井处 由于局部 降低 2 7 m 所以变截面处温度 比上部底板和下部 电梯井基 础低 截面温度最高出现在电梯井沉降基础上 这是 因为电梯井处空气流动较差 而 2 4 m底板处 虽有 温升 但不是整个截面的最高温度 降温阶段同样如 此 图4 b 4 从图5 看出 在浇筑后5 d 时温度场高温区域 位于 5 1 m基础处和基础 发生沉降的角部部位 但 随龄期增长 中心高温区域逐渐向角部部位减小 同 时该部位的温度梯度较大 在现场施工时应加强养 护 减小 内外 的温差 3 有限元计算值与实测值对比分析 图 6是 5 1 m处 电梯井 A点 底部点 5 B点 的表面点 1和中心点 3的温度随时间的变化对 比曲 线 Fig 6 T he m e a s u r e d a n d a n a ly z e d t e m p e r a t u r e cu r v e s co mp a r is o n o f A a n d B p o in t s 实际测试值和有限元模拟计算值进行对比 从 状况的预报 简单易行 便于工程技术提前采取措施 图 6中看出 控温 并且有限元分析结果与实测结果比较吻合 随 1 有限元分析计算值与实测值的曲线变化规 着温度场有限元分析研究的不断深入 其精度也会 律基本一致 大部分点符合较好 而对于表面点 B 1 越来越高 分析值有一定波动 与实际情况近似 3 计算分析表明 电梯井处的局部温度场较为 2 初始阶段有较大 的误差 可 能是 因为现场测 复杂 在温度沿高度分布图中 最高温度未 出现在混 温为在混凝土表面可以上人时才开始进行 此时混 凝土底板 的中心部位 而是偏 下 大约 出现在 1 2 凝土水化作用已经持续一段时间 而现场 由于气温 3 5 h处 建议采取有效措施 避免温度裂缝的产 施工 材料 养护等方面因素也可能造成一些误差 生 3 在混凝 土达到最 大温度和降温阶段有 限元 分析值与现场实测值近似度比较高 由图看出两者 参 考 文 献 最大误差 7 这表明将有限元仿真分析用于混 1 朱 伯 芳 大体积混凝 土温度应 力与温度 控制 M 北京 中国 凝土温度场 的分析行之有效 电力出 版社 1 9 9 9 4结论 利用有限元计算方法 通过建立数值模型及模 3 杨 秋 玲 马 可 栓 大 体积 混 凝 土 水 化热 温 度 场 三 维 有限 元分 析 拟边界条件 从理论上得到 了混凝 土温度场随时间 哈尔滨工业大 学学报
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