基于ANSYS的高地溫支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力研究

馬飛 宿輝 馬超豪 黃順 李琦

摘要：針對(duì)高地溫引水隧洞模擬試驗(yàn)，利用有限元軟件ANSYS模擬圍巖支護(hù)模型在常溫18℃和高地溫60℃工況下養(yǎng)護(hù)1、3、7d的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)。研究表明：常溫工況混凝土水化熱主要通過(guò)巖板散失；高地溫加速了噴射混凝土的水化反應(yīng)，其內(nèi)部熱量、水分散失主要在混凝土邊壁及巖板接觸的邊角處；試件巖板模型的最大第一主應(yīng)力出現(xiàn)在混凝土試件底角處，而不是中心最高溫度處。

關(guān)鍵詞：高地溫；ANSYS ；溫度場(chǎng)；水化熱；第一主應(yīng)力

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.024

隨著水利工程的發(fā)展，高地溫問(wèn)題已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的關(guān)注。高地溫問(wèn)題日益突出，尤其噴射混凝土與圍巖接觸部分可能因混凝土干縮而產(chǎn)生裂縫，喪失支護(hù)作用[1]。由于高溫作用加速了噴射混凝土初期水化反應(yīng)，較大地改變了水泥水化產(chǎn)物，因此對(duì)噴射混凝土的整體力學(xué)性能有很大影響[2]。高地溫隧洞中的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)一直處在高溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)加快，不利于混凝土散熱[3]?；炷了稚⑹г娇?，水泥水化反應(yīng)越會(huì)提前終止，對(duì)噴射混凝土黏結(jié)強(qiáng)度不利，影響襯砌結(jié)構(gòu)的m3久性[4]。高溫增加了混凝土裂縫[5]。目前對(duì)高地溫模型模擬試驗(yàn)的研究較少，尤其關(guān)于高地溫作用下水泥水化反應(yīng)溫度場(chǎng)對(duì)圍巖襯砌混凝土強(qiáng)度的影響研究較少。

1 物理試驗(yàn)方案

室內(nèi)高地溫環(huán)境模擬試驗(yàn)采用尺寸為450mm×600mm×50mm的花崗巖作為噴射混凝土的巖板，并對(duì)巖板表面進(jìn)行粗糙處理。巖板干燥后，放置在模擬高地溫的木質(zhì)模具養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，模具板框留有200mm的高度，以便控制噴射混凝土的厚度。巖板光滑側(cè)設(shè)有高溫加熱板模擬高地溫工況，溫度恒定60℃。在巖板模具內(nèi)噴射C25混凝土，噴射厚度為200mm?；炷羶?nèi)部布置溫度監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高地溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土內(nèi)部溫度變化規(guī)律，嚴(yán)格控制養(yǎng)護(hù)期內(nèi)各項(xiàng)模擬的環(huán)境狀態(tài)，確保模擬隧洞環(huán)境工況的真實(shí)性。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮嚰?、養(yǎng)護(hù)室布置見(jiàn)圖1。

2 有限元模型建立

有限元模型巖板尺寸為450mm×600mm×50mm，巖板上噴射混凝土模型厚度為200mm?？紤]到試件的對(duì)稱性，采用1/4模型。有限元模擬時(shí)選用SOLID70熱分析單元，模型采用映射網(wǎng)格劃分，如圖2所示，其中A、B、C、D四點(diǎn)為中心軸線上4點(diǎn)。模型初始溫度分別為la℃（常溫）和60℃（高地溫）。噴射混凝土溫度為23℃。有限元模型主要將高地溫，水泥水化熱，試件與空氣、木板接觸的熱交換熱量作為荷載。考慮隧洞實(shí)際情況，主要研究高地溫、水化熱對(duì)混凝土的影響，木模對(duì)其邊界的約束很小，可忽略不計(jì)。ANSYS中混凝土水化熱作為體荷載施加在混凝土單元上，由熱生成率反映[6]。模型材料各項(xiàng)熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 有限元溫度計(jì)算原理

混凝土水化由溫度場(chǎng)的熱傳導(dǎo)方程、初始條件、邊界條件確定?；炷恋刃醾鲗?dǎo)方程為式中：Ta為周?chē)橘|(zhì)溫度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；qn為物體表面任一點(diǎn)法向熱流密度；β為熱流放熱系數(shù)；s1、s2、s3分別為1、2、3類(lèi)邊界；n為法向坐標(biāo)。

4 巖板噴射混凝土后水化熱模擬分析

模擬得到巖板常溫噴射混凝土后第1、3、7d模型溫度分布情況，見(jiàn)圖3。巖板常溫噴射混凝土后1～7d內(nèi)水化熱主要集中在模型中心，并向兩側(cè)遞減，1～3d內(nèi)模型內(nèi)部水化反應(yīng)最激烈；第1d模型內(nèi)部水化反應(yīng)未達(dá)到峰值，內(nèi)部最高溫度為39.48℃；第3d水化反應(yīng)最激烈，內(nèi)部產(chǎn)生大量熱，模型最高溫度達(dá)到41.88℃；第7d模型內(nèi)部水化反應(yīng)開(kāi)始減弱，此時(shí)模型內(nèi)部中心最高溫度為37.25℃。巖板常溫噴射混凝土后第1d模型的最低溫度在巖板，由于水化反應(yīng)，因此隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，巖板溫度升高；第3d巖板最高溫度可達(dá)31.36℃，最低溫度在模型表面；而第7d巖板溫度最大可達(dá)35.16℃。對(duì)比表明，模型內(nèi)部熱量主要通過(guò)與混凝土接觸的巖板散失。巖板常溫噴射混凝土后7d內(nèi)水化反應(yīng)造成模型內(nèi)部與表面溫差最高可達(dá)23.67℃。模型內(nèi)外溫差太大是造成混凝土出現(xiàn)裂縫的主要原因。

高地溫（60℃）工況第1、3、7d模型溫度場(chǎng)模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。由熱力學(xué)第二定律可知，外界地溫?zé)崃坑蓭r板傳向噴射的混凝土，使得混凝土溫度升高，促進(jìn)了混凝土的水化反應(yīng)[7]。由圖4可知：高地溫（60℃）工況第1d模型中心溫度為39.37～43.02℃，內(nèi)部溫度由巖板接觸面向混凝土表面遞減；第3d模型中心溫度達(dá)到峰值，為52.75℃；第7天混凝土內(nèi)部高溫范圍縮小并向巖板中心處收縮，此時(shí)模型中心溫度為47.93～51.61℃。巖板熱源、水化熱主要集中在模型中下部。模型厚度較大，表面散失的熱量相對(duì)較少。由于巖板溫度較高，因此混凝土微觀結(jié)構(gòu)松散，黏結(jié)部位出現(xiàn)劣化[8]?；炷羶?nèi)部熱量散失主要由混凝土與巖板接觸的位置開(kāi)始，且熱量散失集中在混凝土側(cè)壁與外界接觸的部分。高地溫加速了混凝土內(nèi)部水分通過(guò)側(cè)壁蒸發(fā)，水分蒸發(fā)越快，水化反應(yīng)越會(huì)提早結(jié)束，水化反應(yīng)不充分，影響了混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，使得混凝土強(qiáng)度發(fā)生變化。

高地溫和常溫工況下模型中心軸線上A、B、C、D四點(diǎn)第7d溫度曲線見(jiàn)圖5。A點(diǎn)溫度曲線在常溫工況與其他三點(diǎn)曲線間距明顯小于高地溫工況的，表明高地溫工況增大了混凝土內(nèi)部與表面的溫度差，混凝土內(nèi)部開(kāi)裂的概率增大，實(shí)際工程中為了防止混凝土開(kāi)裂，應(yīng)加大降溫措施力度。高地溫工況下，第3d之后混凝土中心（B點(diǎn)）溫度曲線較常溫工況曲線下降趨勢(shì)變緩。常溫工況下，C、D兩點(diǎn)溫度曲線相互逼近；第6d混凝土中心點(diǎn)溫度開(kāi)始低于巖板處溫度，表明模型的水化熱主要通過(guò)巖板散失，水分通過(guò)混凝土側(cè)壁蒸發(fā)較少。高地溫工況下C、D點(diǎn)溫度曲線在2.4d后基本重合，溫度在后續(xù)幾天保持平穩(wěn)且明顯高于模型中心溫度，表明高地溫工況下混凝土中心水化熱及巖板熱量的散失主要通過(guò)混凝土側(cè)壁，內(nèi)部水分蒸發(fā)加快逐漸成為主要因素，此時(shí)熱量散失速率較常溫工況下巖板散熱速率明顯變緩。

5 混凝土應(yīng)力分析

考慮混凝土溫度應(yīng)力，通過(guò)ANSYS將熱力學(xué)分析結(jié)果中節(jié)點(diǎn)溫度作為體荷載施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)上，首先將SOLID70熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行分析，因?yàn)橹豢紤]混凝土水泥水化反應(yīng)產(chǎn)熱引起的溫度應(yīng)力，巖板模型在整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中不起作用，所以可不考慮巖板的影響。外界溫度維持恒定，此時(shí)溫度場(chǎng)已經(jīng)存在模型中，因此對(duì)混凝土部分施加約束、荷載，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力求解、分析。

高地溫工況下模型第1、3、7d的第一主應(yīng)力模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。混凝土模型第一主應(yīng)力最大值在1～7d內(nèi)呈現(xiàn)遞增的規(guī)律，第一主應(yīng)力的最小值呈現(xiàn)遞減的規(guī)律?；炷聊Ｐ偷谝恢鲬?yīng)力最大值出現(xiàn)的位置并不是混凝土內(nèi)部溫度最大值所在處，而是在混凝土模型底角處，該位置是混凝土內(nèi)部熱量、水分蒸發(fā)與外界交換最大的位置，即此處混凝土內(nèi)外存在較大溫差。

模型中心軸線上A、B、C三點(diǎn)應(yīng)力一時(shí)間關(guān)系曲線見(jiàn)圖7?？芍?，最大溫度應(yīng)力出現(xiàn)在混凝土底面邊角，最小溫度應(yīng)力出現(xiàn)在混凝土上表面。由文獻(xiàn)[9]可知，C25混凝土28d表面的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1.78MPa。模型混凝土表面應(yīng)力第7d已經(jīng)達(dá)到1.58MPa，而混凝土內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到1.85MPa。為了避免混凝土裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)加強(qiáng)混凝土的溫度控制，及時(shí)了解混凝土內(nèi)部溫度的變化，適當(dāng)改變混凝土的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，加強(qiáng)混凝土散熱，減緩混凝土水分蒸發(fā)，保證水化反應(yīng)充分進(jìn)行，同時(shí)確?；炷帘砻媾c外界氣溫的溫差和混凝土內(nèi)部的溫差控制在適當(dāng)?shù)姆秶?/p>

6 結(jié)論

通過(guò)ANSYS建立有限元模型，模擬高地溫引水隧洞圍巖一支護(hù)結(jié)構(gòu)模型試件在巖板噴射混凝土后在常溫18℃和高地溫60℃工況下養(yǎng)護(hù)1、3、7d時(shí)，混凝土內(nèi)部水泥水化放熱、巖板熱傳遞所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)。所模擬試件的材料參數(shù)、工況與物理試驗(yàn)材料參數(shù)、工況一致，其溫度場(chǎng)分布結(jié)果與物理試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)保持一致。

（1）常溫18℃工況下模型內(nèi)部水泥水化放熱主要集中在模型中心處，最高溫度出現(xiàn)在模型中心處。2.4d齡期以后混凝土內(nèi)部水化熱放熱開(kāi)始變緩并呈下降趨勢(shì)，混凝土內(nèi)部熱量主要通過(guò)與混凝土接觸的巖板散失，而混凝土上表面熱散失較少。水化熱造成混凝土內(nèi)、表面和空氣形成較大溫差，可能引起混凝土裂縫的產(chǎn)生。

（2）高地溫60℃工況下巖板溫度較高，混凝土內(nèi)部熱量、水分主要通過(guò)試件邊壁散失、蒸發(fā)，并且集中在混凝土與巖板接觸位置。噴射混凝土后高溫加速了混凝土內(nèi)部水分的散失，加快了混凝土內(nèi)部水化放熱，改變了混凝土微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)試件強(qiáng)度造成影響。

（3）混凝土中心軸線方向上表面點(diǎn)、中心點(diǎn)、底面點(diǎn)的第一主應(yīng)力呈遞增的趨勢(shì)；最大第一主應(yīng)力出現(xiàn)在混凝土底面邊角，表明該處內(nèi)外溫差較大；最小第一主應(yīng)力出現(xiàn)在混凝土上表面。為了避免溫度應(yīng)力引起混凝土產(chǎn)生裂縫，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)混凝土的散熱措施。

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