熱棒技術(shù)在大面積混凝土溫控應(yīng)用中的仿真數(shù)值研究

熱棒技術(shù)在大面積混凝土溫控應(yīng)用中的仿真數(shù)值研究

摘要：

熱棒技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的混凝土溫控方法，其優(yōu)點是操作簡便、成本低廉、施工周期短等。本文選取某鋼筋混凝土樓板為研究對象，利用有限元方法對其進行熱棒技術(shù)施工模擬及溫度場分析，得出了在不同熱棒布置方案下混凝土溫度分布的變化情況。結(jié)果表明，在考慮熱棒筋條間距等影響因素后，熱棒技術(shù)能夠有效控制混凝土內(nèi)部溫度分布，確?；炷猎跐仓?、硬化過程中的穩(wěn)定性和強度。

關(guān)鍵詞：熱棒技術(shù)；鋼筋混凝土樓板；有限元方法；溫度場分析

Abstract:

Hotrodtechnologyisawidelyusedmethodofcontrollingthetemperatureofconcrete.Itsadvantagesaresimpleoperation,lowcost,andshortconstructionperiod.Inthisarticle,acertainreinforcedconcretefloorslabwasselectedastheresearchobject,andfiniteelementmethodwasusedtosimulatetheconstructionofhotrodtechnologyandanalyzethetemperaturefield,andthechangesofconcretetemperaturedistributionunderdifferenthotrodlayoutschemeswereobtained.Theresultsshowthatafterconsideringfactorssuchasthespacingbetweenhotbarreinforcements,thehotrodtechnologycaneffectivelycontroltheinternaltemperaturedistributionofconcrete,ensuringthestabilityandstrengthofconcreteduringpouringandcuring.

Keywords:HotRodTechnology;ReinforcedConcreteFloor;FiniteElementMethod;TemperatureFieldAnalysis

1.引言

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，大面積混凝土的應(yīng)用已成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主流。在混凝土澆筑及硬化過程中，由于外部環(huán)境的影響，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)整體性能，如造成裂縫、變形加劇等。因此，溫度控制成為影響混凝土使用壽命和性能的重要因素之一。

目前，常用的混凝土溫控方法有水冷卻、冷卻管、預(yù)埋管道等等。這些方法的優(yōu)劣因材料和施工條件而異，但都存在著部分難以克服的缺點，如成本高、施工困難等。熱棒技術(shù)則逐漸成為人們關(guān)注的焦點。因其具有溫度分布控制精度高、操作簡單、成本低廉、施工周期短等優(yōu)勢，逐漸得到廣泛應(yīng)用，并已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)溫度場控制的重要手段之一。

本文選取某鋼筋混凝土樓板為研究對象，通過采用有限元方法對熱棒技術(shù)的施工及溫度分布進行數(shù)值分析，研究不同布置方案下混凝土溫度場的變化情況。結(jié)果可為鋼筋混凝土樓板的研發(fā)及建造提供科學(xué)依據(jù)。

2.熱棒技術(shù)原理

熱棒技術(shù)，又稱電加熱棒技術(shù)，是一種通過電加熱棒引入熱量來控制混凝土溫度的技術(shù)。它的工作原理基于當(dāng)電加熱棒在混凝土內(nèi)部放熱時，在其周圍產(chǎn)生一定的溫度場分布，并有可能增加混凝土的內(nèi)部溫度，以達到溫度控制的目的。

熱棒技術(shù)的主要工作組成部分包括熱棒、導(dǎo)線、電極和溫控系統(tǒng)，通過將導(dǎo)線連接在彎曲的兩頭電極上，再通過電極與截面間距較短的熱棒連接，形成“串聯(lián)電路”，即可完成電加熱棒的搭建。當(dāng)通過電極輸入電源，電加熱棒即可開始發(fā)熱，使其周圍產(chǎn)生一定的溫度場分布，并通過溫控系統(tǒng)實時監(jiān)控混凝土溫度，實現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制。

3.熱棒技術(shù)施工模擬

3.1簡化模型的建立

在進行熱棒技術(shù)施工模擬前，我們需要先建立一個熱棒模型。針對某一具體的鋼筋混凝土樓板而言，我們將其簡化為一個面積為40m×40m的平板，它的高度為30cm。通過分析其受力情況，我們將其等效成四個二度自由度。在有限元分析中，我們將逐一考慮不同布置方案下板內(nèi)的熱棒，共考慮了兩種不同的熱棒布置方案：等間距布置方案和不等間距布置方案。

3.2模型分析及計算

對于熱棒的模擬，在模型中，層間距離為1m。在熱棒布置時，分別考慮相互靠近的雙熱棒為一組，第一組的熱棒等間距分別為0.25m、0.5m、1m、1.5m，第二組的熱棒不等間距分別為0.25m、0.5m、0.75m、1m。

熱棒的直徑為2.5cm，將電極懸掛在下部混凝土中，與熱棒間的接觸面積為20cm^2。電極連接處均勻復(fù)合導(dǎo)電膠所組成的薄層，接觸阻抗為0.5Ω。

在進行有限元分析時，將施工期間和澆筑期間的熱棒作為分別不同的兩個過程進行模擬，并采用一個非等厚的熱棒模型來對兩個周期進行模擬。具體而言，在澆筑期內(nèi)，將直徑為2.5cm的熱棒均勻布置在底板上，以0.5m為單位間距進行布置。在每一塊橫向和縱向板塊上，共設(shè)置了46個熱棒以及相應(yīng)的連接導(dǎo)線。在混凝土硬化期內(nèi)，只考慮沿著立方體頂邊平放的熱棒，仔細(xì)考慮了筋條間距的影響。

進行計算時，我們僅考慮了熱棒內(nèi)部能量轉(zhuǎn)移的影響，忽略到空氣和水的對溫度的影響，并設(shè)定初始溫度為20℃，邊界條件為固定溫度。分別對不同布置方案的熱棒設(shè)定參數(shù)，進行有限元分析，并比較不同方案下混凝土溫度的差異。

4.數(shù)值分析結(jié)果及討論

4.1熱棒溫度場分布

在進行熱棒施工的同時，熱棒的溫度場分布情況也是需要進行研究的。如圖1所示，我們對熱棒施工后進行溫度場分析，得到了三組不同階段的溫度場分布情況。


在澆筑期間的溫度場分布如圖1a所示，由于熱棒擁有一定的半徑，在熱棒內(nèi)部加熱時產(chǎn)生了一定的溫度場分布，與混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一定的熱傳導(dǎo)。而當(dāng)澆筑過程結(jié)束后，熱棒未被拆除，開始進入硬化期，其溫度逐步上升。在硬化過程中，筋條間距對熱棒的影響也開始顯現(xiàn)。如圖1b所示，當(dāng)熱棒沿著立方體頂邊平放時，其溫度場分布在橫向與縱向筋條中相互作用，成為一組完整的溫度孔洞。當(dāng)熱棒與筋條間距過大時，鋼筋周圍開始形成一些過渡區(qū)，出現(xiàn)“海綿”樣的紋樣。

在混凝土硬化期結(jié)束后，熱棒所帶來的影響逐漸消失，其溫度恢復(fù)到了初始狀態(tài)。此時，考慮熱棒施工過程中產(chǎn)生的溫度傳導(dǎo)，可得到熱棒及周邊混凝土的溫度場分布情況，如圖1c所示。

4.2不同布置方案下混凝土溫度場的變化

在不同的熱棒布置方案中，我們對樓板內(nèi)混凝土溫度場的變化進行了研究，得出了不同布置方案下混凝土內(nèi)部溫度分布的變化情況。

如圖2所示，其中綠色為澆筑期后第5天，黃色為澆筑期后第10天的溫度分布，可以明顯觀察出不同方案下混凝土內(nèi)部溫度變化的差異。


（a）等間距布置方案

（b）不等間距布置方案

從圖2中可以看出，在澆筑后第5天，由于熱棒對樓板內(nèi)部的溫度控制起到一定的優(yōu)化作用，所以不同布置方案下混凝土溫度的差異并不大，但對比兩種不同的布置方案，可發(fā)現(xiàn)在等間距布置方案下，混凝土溫度分布相對均勻，而在不等間距布置方案下則出現(xiàn)了明顯的高溫區(qū)域。而在澆筑后第10天，兩種布置方案下混凝土內(nèi)部溫度差異更加明顯。在等間距布置方案下，混凝土內(nèi)部溫度分布均勻，但在不等間距布置方案下，混凝土內(nèi)部存在大量區(qū)域溫度偏高，表明了不等間距布置方案存在一定的不足。

5.結(jié)論

針對熱棒技術(shù)在大面積混凝土溫控應(yīng)用中的問題，我們采用有限元方法對其進行了模擬，得出結(jié)論如下：

1）基于有限元模擬方法，可得到熱棒施工過程中熱棒溫度場分布與混凝土內(nèi)部溫度分布的變化情況；

2）在不同的熱棒布置方案下，混凝土內(nèi)部溫度分布存在較大差異，