大體積混凝土的多元分析

大體積混凝土分層澆筑過(guò)程中溫度場(chǎng)受到外界氣溫的變化、太陽(yáng)輻射、水化生熱、不同澆筑溫度、不同分層厚度、不同澆筑間歇期和溫度控制措施等因素的影響。為了使分析計(jì)算成果能夠較準(zhǔn)確地反映客觀實(shí)際情況，分析中力求全面、準(zhǔn)確地模擬施工過(guò)程中的各種條件和影響因素。仿真計(jì)算中的技術(shù)問(wèn)題主要包括分層澆筑過(guò)程模擬、溫度初始條件和邊界條件的施加，水化生熱模擬?；谏鲜鲋饕夹g(shù)、影響因素，設(shè)計(jì)了仿真分析的流程圖，應(yīng)用大型通用軟件ANSYS，通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）以及ANSYS的多種內(nèi)部函數(shù)， 編制了宏命令以控制ANSYS程序，對(duì)大體積混凝土的澆筑溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，使大體積混凝土分層澆筑過(guò)程溫度場(chǎng)仿真分析，從建模、求解計(jì)算直至計(jì)算結(jié)果的后處理能夠自動(dòng)化和參數(shù)化，提高了利用大型通用軟件ANSYS解決工程實(shí)際問(wèn)題的效率。

一、網(wǎng)格劃分

（一）網(wǎng)格劃分指導(dǎo)思想。ANSYS網(wǎng)格劃分的指導(dǎo)思想是首先進(jìn)行總體模型規(guī)劃，包括物理模型的構(gòu)造、單元類型的選擇、網(wǎng)格密度的確定等多方面的內(nèi)容。在網(wǎng)格劃分和初步求解時(shí)，做到先簡(jiǎn)單后復(fù)雜，先粗后精，2D單元和3D單元合理搭配使用。利用軸對(duì)稱或子結(jié)構(gòu)時(shí)要注意場(chǎng)合，如在進(jìn)行模態(tài)分析、屈曲分析整體求解時(shí)，則應(yīng)采用整體模型，同時(shí)選擇合理的起點(diǎn)并設(shè)置合理的坐標(biāo)系，可以提高求解的精度和效率，例如，軸對(duì)稱場(chǎng)合多采用柱坐標(biāo)系。有限元分析的精度和效率與單元的密度和幾何形狀有著密切的關(guān)系，按照相應(yīng)的誤差準(zhǔn)則和網(wǎng)格疏密程度，避免網(wǎng)格的畸形。在網(wǎng)格重劃分過(guò)程中常采用曲率控制、單元尺寸與數(shù)量控制、穿透控制等控制準(zhǔn)則。在選用單元時(shí)要注意剪力自鎖、沙漏和網(wǎng)格扭曲、不可壓縮材料的體積自鎖等問(wèn)題。

（二）網(wǎng)格劃分基本原則

1、網(wǎng)格數(shù)量。網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。一般來(lái)講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)權(quán)衡兩個(gè)因數(shù)綜合考慮。

2、網(wǎng)格疏密。網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)。在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位（如應(yīng)力集中處），為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，則應(yīng)劃分相對(duì)稀疏的網(wǎng)格。這樣，整個(gè)結(jié)構(gòu)便表現(xiàn)出疏密不同的網(wǎng)格劃分形式。因此，網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)增加到結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，在次要部位增加網(wǎng)格是不必要的，也是不經(jīng)濟(jì)的。

3、單元階次。許多單元都具有線性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的單元稱為高階單元。選用高階單元可提高計(jì)算精度，因?yàn)楦唠A單元的曲線或曲面邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲線和曲面邊界，且高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復(fù)雜場(chǎng)函數(shù)，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、應(yīng)力分布或變形很復(fù)雜時(shí)可以選用高階單元。但高階單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，在網(wǎng)格數(shù)量相同的情況下由高階單元組成的模型規(guī)模要大得多。因此在使用時(shí)應(yīng)權(quán)衡考慮計(jì)算精度和時(shí)間，在有應(yīng)力集中和剛度突變的地方，應(yīng)該采用高階單元來(lái)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

二、ANSYS計(jì)算大體積混凝土溫度場(chǎng)個(gè)參數(shù)的技術(shù)處理

（二）定解條件

初始條件和第一類邊界條件、第二類邊界條件均可用ANSYS熱分析中的溫度邊界條件來(lái)表征（應(yīng)用ANSYS單元生死功能時(shí)混凝土初始溫度（澆筑溫度） 以結(jié)點(diǎn)自由度的方式給定），第三類邊界條件可用ANSYS熱分析中的熱對(duì)流傳遞方式來(lái)表征。

綜上所述，用ANSYS瞬態(tài)熱分析來(lái)模擬大體積混凝土分層澆筑施工期的溫度場(chǎng)在理論上是可行的，并且需要滿足的初始條件和各類邊界條件在ANSYS瞬態(tài)熱分析中可以用相應(yīng)的方式方便地表示出來(lái)。

（三）其他參數(shù)

1、澆筑溫度。澆筑溫度的模擬是將新澆混凝土的初始溫度設(shè)置為澆筑溫度，然后在水化放熱和邊界條件的作用下，其溫度場(chǎng)開(kāi)始發(fā)生變化。

2、導(dǎo)熱系數(shù)?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)是反應(yīng)熱量在混凝土內(nèi)傳導(dǎo)難易程度的一個(gè)系數(shù)。普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)一般在8.39～12.56之間，具體值可由混凝土的各組成成分的重量百分比按加權(quán)平均方法計(jì)算得出。

3、比熱。單位質(zhì)量的混凝土，溫度升高1℃時(shí)所需吸收的熱量稱比熱，普通混凝土的比熱一般在0.84～1.05之間。

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