基于APDL建模的大體積混凝土優(yōu)化澆筑模擬

傅蜀燕 王良澤南 黃海燕

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

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基于APDL建模的大體積混凝土優(yōu)化澆筑模擬

傅蜀燕 王良澤南 黃海燕

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

基于APDL建立大體積混凝土澆筑有限元模型，分析了實(shí)際工程中的水化熱問(wèn)題，并用耦合的方法，對(duì)混凝土澆筑周期內(nèi)的熱分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算，得到混凝土應(yīng)力—應(yīng)變變化規(guī)律，結(jié)果表明：在保證水化熱反應(yīng)滿足混凝土強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)減少澆筑層數(shù)來(lái)優(yōu)化模型，可以達(dá)到既節(jié)省材料又縮短工期的目的。

大體積混凝土，水化熱，模型，熱梯度，應(yīng)力

1 概述

混凝土的澆筑不可避免地要面對(duì)水化熱的問(wèn)題，特別是在大體積混凝土澆筑中，因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生，數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)裂縫的防治具有重要意義。近年來(lái)，學(xué)者們開展了大量相關(guān)研究。張敏玉等[1]通過(guò)混凝土澆筑過(guò)程數(shù)值模擬，得到了混凝土的溫度場(chǎng)和應(yīng)力的變化規(guī)律；馬建軍等[2]基于ANSYS對(duì)大體積混凝土澆筑過(guò)程進(jìn)行仿真分析，獲得了與實(shí)際工程結(jié)果相吻合的仿真結(jié)果；王仁超等[3]用不同方案對(duì)小灣工程大壩混凝土澆筑進(jìn)行了仿真研究，并依據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)澆筑方案進(jìn)行優(yōu)化,使總工期提前了2.5個(gè)月,機(jī)械綜合效率提高3%。為了能夠較為靈活的分析溫度引起的應(yīng)力、應(yīng)變，以及更為真實(shí)的模擬大體積混凝土多層澆筑情況，可以通過(guò)APDL語(yǔ)言來(lái)建模實(shí)現(xiàn)。

基于APDL建模的方法，不僅可以大量減少在界面反復(fù)操作的工作量和時(shí)間，也便于檢查錯(cuò)誤，而且可以為模型的計(jì)算尺寸和計(jì)算參數(shù)的優(yōu)化提供基礎(chǔ)，根據(jù)不同的實(shí)際情況，通過(guò)最優(yōu)化方法中遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等智能算法優(yōu)化的尺寸和參數(shù)，可以直接代入APDL中計(jì)算得出最優(yōu)模型結(jié)果。本文依據(jù)假定的尺寸和參數(shù)，計(jì)算并得出結(jié)果，所用的APDL可為后期澆筑尺寸和參數(shù)的優(yōu)化提供技術(shù)支撐[4]。

2 澆筑模擬相關(guān)理論

2.1 混凝土破壞機(jī)理

混凝土澆筑過(guò)程中，內(nèi)部水化熱溫度極速上升(澆筑的厚度越大，其內(nèi)部水化熱溫升值越大)、膨脹，而表面溫度變化幅度較小，致使混凝土內(nèi)部膨脹受表面約束，形成表面受拉而內(nèi)部受壓的狀態(tài)；混凝土澆筑后，其水化熱溫度逐漸下降，由于內(nèi)部溫度降低幅度比表面大，混凝土內(nèi)外部溫降幅度不一致，致使內(nèi)部冷卻收縮遠(yuǎn)大于表面，內(nèi)部的收縮受表面約束。當(dāng)冷卻收縮的拉應(yīng)力超過(guò)壓應(yīng)力時(shí)，混凝土內(nèi)部和表面的壓應(yīng)力都轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，若超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，裂縫隨即產(chǎn)生，由于混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，早期多表現(xiàn)為表面裂縫，晚期裂縫多出現(xiàn)在內(nèi)部，對(duì)結(jié)構(gòu)安全極為不利，容易導(dǎo)致腐蝕破壞[5]。

2.2 ANSYS模擬理論

通過(guò)ANSYS合理地模擬各種因素對(duì)混凝土澆筑的影響及有效地對(duì)澆筑過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)與結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。ANSYS對(duì)澆筑的處理如下：

1)荷載步的確定。按照實(shí)際的施工節(jié)奏，施工1 d，停工1 d，再施工1 d，再停工1 d，一共4 d，ANSYS選取荷載步(以d為單位)分四步進(jìn)行，每天按一種荷載計(jì)算。2)單元生死法。先建立完整的有限元模型，然后根據(jù)施工順序先模擬施工前的模型，這樣就需要用到單元生死法，即殺死此時(shí)模型不存在的部分的單元，使其不產(chǎn)生作用，以后每澆筑一層就需要激活一層單元，直到完全激活，計(jì)算結(jié)束[6]。3)熱分析和結(jié)構(gòu)分析的結(jié)合。ANSYS的耦合分析能力可以把溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合在一起來(lái)模擬真實(shí)的澆筑情況，本文先進(jìn)行熱分析，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。澆筑時(shí)同時(shí)考慮溫度荷載和重力荷載，溫度荷載需要通過(guò)熱分析求解，而重力荷載需要通過(guò)結(jié)構(gòu)分析求解。

3 工程實(shí)例分析

3.1 基本資料及模型建立

以某混凝土重力壩基礎(chǔ)澆筑為例，取壩縱方向長(zhǎng)20 m，壩橫方向長(zhǎng)60 m,高2 m為混凝土澆筑層，以建基面向下10 m，上下游各30 m為基巖，建立計(jì)算模型，網(wǎng)格劃分如圖1所示。計(jì)算過(guò)程中熱單元采用Solid70，結(jié)構(gòu)單元采用Solid45，以混凝土直接在固定基巖上澆筑為邊界條件，并假定材料性能不隨時(shí)間改變，且為簡(jiǎn)化模型，僅取2個(gè)澆筑層進(jìn)行計(jì)算。

3.2 材料參數(shù)

計(jì)算模型中，重力壩的基礎(chǔ)分兩層澆筑，每層澆筑1 m,澆筑進(jìn)程按澆筑1 d，停工1 d進(jìn)行，水化熱按式(1)～式(3)進(jìn)行計(jì)算[7]：

(1)

(2)

(3)

其中，Qτ為在齡期τ天時(shí)的累計(jì)水化熱，kJ/kg；Q0為水泥水化熱總量，kJ/kg；τ為齡期，d；n為常數(shù)，因水泥品種、比表面積等因素而異。

混凝土澆筑區(qū)間外界氣溫為20 ℃，混凝土澆筑時(shí)初始溫度為40 ℃，基巖的初始溫度為16.5 ℃，混凝土與空氣以及基巖與空氣之間的對(duì)流系數(shù)取為2.016，假定在絕熱條件下，基礎(chǔ)與土壤之間不進(jìn)行熱交換?；炷良盎鶐r其他力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 混凝土及基巖其他力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 熱分析結(jié)果

根據(jù)澆筑進(jìn)程和澆筑層數(shù)，混凝土按第一天進(jìn)行第一層澆筑，第二天停工，第三天澆筑第二層，第四天停工的順序進(jìn)行。本文采用有限元軟件對(duì)計(jì)算模型整個(gè)澆筑周期內(nèi)混凝土的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析：由圖2和圖3可知，第一天最大熱梯度為15.543 5，發(fā)生在澆筑第一層，第二天最大熱梯度為11.825 4，發(fā)生在地基與空氣的接觸面上；由圖4和圖5可得，第三天最大熱梯度為12.378 7，發(fā)生在地基與空氣的接觸面上，第四天最大熱梯度為12.531 1，發(fā)生在地基與空氣的接觸面上。

澆筑第一天的最大熱梯度比第二天大得多，而第二天到第四天最大熱梯度相差不大，且都發(fā)生在地基與空氣的接觸面，說(shuō)明第一天混凝土內(nèi)部熱梯度較大，溫度分布不均勻，混凝土容易產(chǎn)生裂縫而且容易腐蝕引起破壞，澆筑時(shí)應(yīng)注意采取降溫措施；第二天到第四天混凝土內(nèi)部熱梯度較小，說(shuō)明溫度比較均勻，混凝土不易被破壞。

4.2 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

在進(jìn)行熱物理場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，能更好的模擬工程實(shí)際中混凝土澆筑的真實(shí)情況。由圖6和圖7可以看出：第一天與第二天的位移基本一致，說(shuō)明第二天的施工對(duì)混凝土的豎向位移影響不大；第三天與第四天的位移基本一致(見圖8，圖9)，但是節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力有明顯差別，最大應(yīng)力點(diǎn)位置在發(fā)生變化，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在基巖的邊線，因混凝土抗壓強(qiáng)度高因此可以不用考慮影響，但最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在基巖的四個(gè)角點(diǎn)處，施工時(shí)應(yīng)予以重視。

由圖10～圖13可得混凝土的應(yīng)力情況，澆筑周期內(nèi)整體的最大壓應(yīng)力值基本相似，各澆筑時(shí)段的應(yīng)力分布及整體的最大拉應(yīng)力有所差別，第一天澆筑混凝土的應(yīng)力分布在-1.38 MPa～0.83 MPa(受拉為正，受壓為負(fù))，整體最大拉應(yīng)力0.83 MPa；第二天澆筑的混凝土應(yīng)力分布在-1.49 MPa～0.83 MPa(受拉為正，受壓為負(fù))，整體最大拉應(yīng)力0.83 MPa；第三天澆筑混凝土應(yīng)力分布在-2.63 MPa～0.84 MPa(受拉為正，受壓為負(fù))，整體最大拉應(yīng)力0.84 MPa；第四天澆筑混凝土應(yīng)力由云圖可知應(yīng)力在-2.67 MPa～0.84 MPa(受拉為正，受壓為負(fù))，整體最大拉應(yīng)力0.84 MPa。

5 結(jié)語(yǔ)

1)不同澆筑時(shí)間的豎直方向節(jié)點(diǎn)位移變化很小，可能是由于沒(méi)有考慮混凝土徐變的影響導(dǎo)致的，而節(jié)點(diǎn)應(yīng)力大小差別明顯且最大應(yīng)力點(diǎn)位置在發(fā)生變化，說(shuō)明有限位移方法對(duì)內(nèi)力的敏感性比對(duì)位移的敏感性要大。2)豎直方向的拉壓應(yīng)力均滿足混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范，表明該澆筑方案可行；在混凝土澆筑前對(duì)澆筑過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果可靠。3)在混凝土澆筑過(guò)程中，若減小澆筑層的厚度，可加快混凝土散熱，避免施工混凝土因水化熱反應(yīng)而發(fā)生破壞，但是會(huì)增加澆筑層數(shù)，延長(zhǎng)施工時(shí)間。而在大體積混凝土澆筑前，對(duì)澆筑過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，既可保證在水化熱產(chǎn)生的拉應(yīng)力滿足混凝土抗拉強(qiáng)度要求的情況下，又能尋找到最優(yōu)澆筑層數(shù)，縮短施工時(shí)間，使得整個(gè)模型達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)，對(duì)指導(dǎo)工程實(shí)際施工具有重要的參考意義。

[1] 張敏玉，文立華，王衛(wèi)祥.混凝土澆筑過(guò)程的數(shù)值仿真[J].低溫建筑技術(shù)，2005(2):32-33.

[2] 馬建軍,符建云,任 濤.基于ANSYS的大體積混凝土澆筑過(guò)程仿真分析[J].水電能源科學(xué)，2013,31(11):99-101.

[3] 王仁超,石 英,李名川.小灣大壩混凝土澆筑施工仿真研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2004,36(4):10-14.

[4] 李進(jìn)亮.三維數(shù)值仿真技術(shù)在箱涵混凝土澆筑[J].水科學(xué)與工程技術(shù),2014(1):76-80.

[5] 何本國(guó),陳天宇,王 洋.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].第3版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

[6] 盛和太，喻海良，范訓(xùn)益.ANSYS有限元原理與工程應(yīng)用實(shí)例大全[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[7] GB 50496—2009，大體積混凝土施工規(guī)范[S].

Simulation study on mass concrete pouring optimization based on APDL modeling

Fu Shuyan Wang Liangzenan Huang Haiyan

(CollegeofWaterResourcesandHydraulicEngineering,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201，China)

Concreting finite element model of mass concrete pouring based on APDL to analyze practical engineering hydration heat problems. Using coupling method to calculate the thermal analysis results of concrete pouring period coupled with structural analysis, and get the stress and strain changing law of the concrete. The results show that, under the premise that the hydration thermal reaction could satisfy the requirement of concrete strength, by reducing the number of layers to optimize the placement model that can achieve both material saving and shorten the duration of the goal.

mass concrete， hydration heat， model, thermal gradient, stress

1009-6825(2016)05-0104-03

2015-12-03

傅蜀燕(1976- )，女，講師

TU755

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