大體積混凝土溫度應(yīng)力間接耦合分析

蒙　偉

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶　400074)

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大體積混凝土溫度應(yīng)力間接耦合分析

蒙偉

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶400074)

摘要：結(jié)合ANSYS的有限元算法與理論計(jì)算原理，編寫APDL程序語言，將ANSYS各個(gè)功能模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)和整合，實(shí)現(xiàn)冷卻水管的溫度場和應(yīng)力場在ANSYS中的模擬.本研究的方法和結(jié)論可為其他同類研究提供參考價(jià)值.

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；冷卻水管；耦合分析；溫度控制

0引言

目前，大體積混凝土施工成為建筑工程中大型建設(shè)項(xiàng)目的必經(jīng)階段，但由于水化熱作用，導(dǎo)致大體積混凝土內(nèi)部溫度在施工期急劇上升，尤其在夏季施工，混凝土溫度可達(dá)45 ℃以上，如果只依靠自然降溫，大體積混凝土的內(nèi)部溫度遠(yuǎn)不能符合設(shè)計(jì)要求.因此，在大體積混凝土施工過程中，一般都采取人工降溫措施，即通過鋪設(shè)冷卻水管對(duì)混凝土進(jìn)行降溫處理，使混凝土內(nèi)部溫度降低至設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)定溫度，然后再進(jìn)行接縫灌漿.許多學(xué)者對(duì)此施工工藝技術(shù)開展了大量的研究工作.例如，劉海成等[1]分析了溫度對(duì)混凝土徐變的影響及溫度損傷，建立了考慮溫度影響的混凝土徐變應(yīng)變計(jì)算的遞推公式和彈性模量表達(dá)式；王一凡等[2]通過ANSYS的熱—結(jié)構(gòu)藕合分析方法，對(duì)某混凝土大壩的應(yīng)力場和溫度場進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析；李潘武等[3]通過數(shù)值分析方法，分析了大體積混凝土在澆筑溫度變化時(shí)其溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)開裂的影響；魏尊祥等[4]利用ANSYS建立了承臺(tái)大體積混凝土模型，并對(duì)施工期的溫度場進(jìn)行了分析.在此基礎(chǔ)上，本研究分析了有限元軟件ANSYS在混凝土冷卻水管的建模問題，并通過溫度、應(yīng)力分析得到了混凝土在冷卻水管降溫作用下的溫度、應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)混凝土溫控水冷技術(shù)做了有益的探討.

1工程概況

作為研究對(duì)象的某大橋混凝土承臺(tái)尺寸為，10.5 m×7.5 m×3 m，砼設(shè)計(jì)等級(jí)為C30.在承臺(tái)中布設(shè)有兩層冷卻管：頂層離頂面1 m，底層離底面1 m，上、下層均距1 cm，水平間距1 m.冷卻管采用直徑為40 mm，壁厚2.5 mm的Q235鋼管.冷卻管平面布置示意圖如圖1所示.

圖1承臺(tái)及冷卻水管布置平面圖

2溫度應(yīng)力耦合分析

2.1模型有限元分析步驟

本模型有限元法求解問題的基本步驟[5-8]為：

1)建立分析對(duì)象的熱模型并進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，得到節(jié)點(diǎn)上的溫度；

2)查看熱結(jié)果并確定溫度梯度的時(shí)間點(diǎn)；

3)刪除所有熱荷載、耦合序列和約束方程；

4)定義結(jié)構(gòu)材料特性，包括熱膨脹系數(shù)(ALPX)、彈性模量、泊松比等；

5)改變單元類型并設(shè)置單元分析選項(xiàng)，從熱到結(jié)構(gòu)(ETCHG命令)；

6)從熱分析中讀取溫度體荷載(LDREAD命令)；

7)定義結(jié)構(gòu)分析類型；

8)指定分析選項(xiàng)；

9)指定荷載步選項(xiàng)；

10)設(shè)置求解熱膨脹時(shí)自由應(yīng)變參考溫度(TREF)；

11)儲(chǔ)存模型并求解當(dāng)前荷載步；

12)結(jié)果后處理.

2.2有限元模型

2.2.1計(jì)算參數(shù).

在模擬分析中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工工況，選取澆筑溫度為20 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃，其他參數(shù)的取值參考實(shí)驗(yàn)指標(biāo)見表1～4.

表1　承臺(tái)及模板熱學(xué)參數(shù)

表2　冷卻水熱學(xué)參數(shù)

表3　承臺(tái)力學(xué)參數(shù)

表4　徐變擬合參數(shù)

彈性模量采用復(fù)合指數(shù)式(1)[9]模擬，

E(t)=E0(1-e-atb)

(1)

式中，t為齡期，d；E0為t→∞時(shí)的最終彈性模量(Pa)，取E0=32GPa；a、b為常數(shù)，取a=0.55、b=0.4.

模擬計(jì)算中混凝土的徐變采用式(2)[9]模擬，

C(t,τ)=(A1+A2/τα1)(1-e-k1(t-τ))+

(B1+B2/τα2)(1-e-k2(t-τ))+

De-k3τ(1-e-k3(t-τ))

(2)

在本模型中，用等效方法把徐變作用的變形特性放到彈性變形中，即按彈性問題方式求解，而徐變作用被等效后，則表現(xiàn)為降低大體積混凝土的彈性模量.模擬施工期澆筑混凝土的過程，一方面水化熱產(chǎn)生大量熱量，混凝土開始固化，彈性模量隨時(shí)間增大而增大；另一方面，因?yàn)樾熳冏饔脤?dǎo)致彈性模量隨著時(shí)間降低.綜合兩者之后，得到有效的彈性模量[9]，

(3)

生熱率采用雙曲線式[9]模擬，

(4)

2.2.2其他假設(shè).

1)導(dǎo)熱系數(shù)不隨時(shí)間變化；

2)不考慮混凝土里面的鋼筋；

3)模型各向同性，在施加的各節(jié)點(diǎn)生熱量統(tǒng)一；

4)澆筑在瞬間完成，澆筑混凝土的施工過程時(shí)間不計(jì)算；

5)施工正常進(jìn)度為澆筑第1層1 m混凝土后，5 d后再澆筑第2層混凝土；

6)計(jì)算時(shí)間為澆筑起30 d內(nèi)的溫度場及應(yīng)力場，空氣溫度取的恒溫20 ℃；

7)冷卻水管在轉(zhuǎn)折處用近似圓弧代替實(shí)際圓弧，不考慮在垂直冷取水管平面方向的長度.

2.2.3選用單元.

本研究溫度應(yīng)力耦合分析采用間接法，故在溫度場計(jì)算和溫度應(yīng)力中需要選用不同的單元.

熱分析中采用Solid70、Fluid116兩種單元分別模擬混凝土和冷卻水管.Solid70單元能夠有效模擬混凝土澆筑過程；Fluid116是熱管流單元，節(jié)點(diǎn)上可以設(shè)置相應(yīng)的水流溫度作為自由度，各個(gè)主節(jié)點(diǎn)之間可以相互傳輸能量和流體.水流流量和水流流速等設(shè)置可轉(zhuǎn)換成負(fù)熱源，納入結(jié)點(diǎn)荷載之中.而熱源將使用相關(guān)程序界定，如此即可模擬實(shí)體模型中水管的降溫作用.

溫度應(yīng)力采用Solid45單元模擬混凝土，是8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度，可完全滿足計(jì)算任務(wù)要求.兩種單元類型的過渡，利用ANSYS的自動(dòng)單元轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，命令流為：ETCHG,TTS.網(wǎng)格劃分實(shí)體單元全部采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元，以保證得到較精確的計(jì)算結(jié)果.有限元如圖2所示.

圖2承臺(tái)有限元模型圖

2.2.4邊界條件.

由于四周鋼模板的隔熱效應(yīng)可忽略不計(jì)，故四周邊界條件為混凝土與水的對(duì)流，頂部邊界條件為混凝土與空氣的對(duì)流，承臺(tái)底面由于有封底混凝土1 m厚，故在底側(cè)采用絕熱邊界條件.溫度—應(yīng)力計(jì)算邊界條件：頂面為自由面，四周及底面有模板和封底混凝土存在，故加垂直位移約束.

2.3有限元分析

計(jì)算過程中，為得到塊體各部位相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，在模型中布置了具有代表性的4個(gè)計(jì)算監(jiān)控點(diǎn)，位置在模型中心從上至下4個(gè)節(jié)點(diǎn)，編號(hào)分別為1、2、3、4.這些特定節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化如圖3、4所示；溫度分布圖如圖5、6所示；混凝土中心表面節(jié)點(diǎn)的第一主應(yīng)力隨時(shí)間變化如圖7、8所示.圖3、5、7為不設(shè)置冷卻水管的結(jié)果圖，圖4、6、8為設(shè)置冷卻水管結(jié)果圖.

圖3不設(shè)置水管時(shí)特定節(jié)點(diǎn)隨施工期的溫度變化圖

圖4設(shè)置水管時(shí)特定節(jié)點(diǎn)隨施工期的溫度變化圖

圖5不設(shè)置水管時(shí)1/4模型隨施工期的溫度變化圖

分析可知：

1)圖3、4顯示，不采取降溫措施時(shí)，混凝土中心最高溫度在澆筑后第3 d出現(xiàn)，達(dá)到41 ℃；采取降溫措施后，最高溫度達(dá)到37 ℃.

圖6設(shè)置水管時(shí)1/4模型隨施工期的溫度變化圖

圖7不設(shè)置水管時(shí)大體積混凝土中心表面節(jié)點(diǎn)隨施工期的第一主應(yīng)力變化圖

圖8設(shè)置水管時(shí)大體積混凝土中心表面節(jié)點(diǎn)隨施工期的第一主應(yīng)力變化圖

2)圖5、6顯示，由于冷卻水管的作用，致使溫度最高點(diǎn)不在混凝土中心.

3)圖4顯示，在28 d時(shí)，混凝土溫度基本接近冷卻水管的水溫.

4)由于四周和混凝土頂部分別與水和空氣產(chǎn)生對(duì)流，故溫度梯度在外圍明顯變大，故加強(qiáng)表面保溫不失為防止開裂的有效措施.

5)圖7、8顯示，采取降溫措施后，混凝土表面最大拉應(yīng)力有所減小，且減小的速率較不采取降溫措施快.

3總結(jié)與展望

近年來，施工工藝技術(shù)的改良及提升使混凝土澆筑規(guī)模逐漸增大，同時(shí)水管冷卻技術(shù)應(yīng)用也導(dǎo)致了一系列工程安全隱患和問題，為了滿足不斷發(fā)展的施工設(shè)計(jì)要求，需要加強(qiáng)和完善大體積混凝土的水冷降溫技術(shù)研究，從而有效提升冷卻水管的降溫精度和冷卻效率，為混凝土溫度控制措施中的水冷溫度控制提供理論支持，實(shí)現(xiàn)溫度控制措施設(shè)計(jì)從過去的簡單型向精細(xì)型轉(zhuǎn)變的過渡.本研究在總結(jié)溫度場及應(yīng)力場計(jì)算理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元軟件ANSYS的APDL語言，利用熱—結(jié)構(gòu)耦合功能模擬各變量的熱交換，并轉(zhuǎn)化為應(yīng)力場，綜合溫度和應(yīng)力模擬數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析.

大體積混凝土冷卻降溫過程的模擬是一個(gè)復(fù)雜的三維熱場問題，影響因素眾多，在軟件上全部反映出施工的各種情況存在困難.目前，對(duì)大體積混凝土水管冷卻降溫的研究還不完善，以下幾點(diǎn)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的探討：

1)混凝土澆筑后的養(yǎng)護(hù)作用對(duì)混凝土表層影響以及環(huán)境和氣溫的變化.如果能在模擬中考慮，則更能準(zhǔn)確地分析出混凝土的溫度影響.

2)冷卻水管在沿長度方向的水頭損失、水管的空間結(jié)構(gòu)布置及加密水管布置對(duì)混凝土內(nèi)部溫度的影響.

3)混凝土內(nèi)鋼筋對(duì)混凝土的作用，鋼筋對(duì)混凝土在溫度變化時(shí)有明顯的約束作用.

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Analysis of Temperature Stress of Massive Concrete by Indirect Coupling

MENGWei

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract:The APDL program language is written by combining the finite element algorithm and theory calculation principle with the ANSYS.The simulation of the temperature field and stress field of the cooling pipes in the ANSYS is done through the coordination and integration of each function module of ANSYS.The method and conclusions are of great reference value for other similar research.

Key words:massive concrete;cooling pipes;coupling analysis;temperature control

文章編號(hào)：1004-5422(2016)02-0187-04

收稿日期：2016-05-09.

作者簡介：蒙偉(1990 — )， 男， 碩士研究生， 從事巖土與隨道工程研究.

中圖分類號(hào)：U445.57

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A