Midas-fea-隧道錨水化熱參數(shù)分析

【摘 要】 澆筑混凝土?xí)r，水泥在水化熱過程中產(chǎn)生大量熱量會(huì)使混凝土的溫度升高。雖然隨時(shí)間的推移混凝土的溫度會(huì)慢慢冷卻，但結(jié)構(gòu)各個(gè)位置的溫度下降不均勻，結(jié)構(gòu)不同位置將發(fā)生相對的溫差，此溫差會(huì)使混凝土發(fā)生溫度應(yīng)力。

【關(guān)鍵詞】 混凝土 熱量 升溫

引 言

目前大體積混凝土、高強(qiáng)混凝土以及耐久性混凝土正被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，由水化熱引起的溫度裂縫也逐漸成為設(shè)計(jì)人員所關(guān)注。水化熱引起的溫度裂縫大多發(fā)生在結(jié)構(gòu)施工初期寬度較大且貫通裂縫比較多，對結(jié)構(gòu)的耐久性、透水性會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此在設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)理階段需要詳細(xì)驗(yàn)算水化熱引起的溫度應(yīng)力。

外部約束應(yīng)力是因?yàn)橐褲仓幕炷粱虻鼗砻婕s束了正在澆筑的混凝土的溫度變形而發(fā)生的應(yīng)力。外部約束的影響與接觸表面的寬度和外部約束剛度有關(guān)。水化熱分析包括熱傳導(dǎo)分析（Heat Transfer Analysis）和溫度應(yīng)力分析（Thermal Stress Analysis）兩個(gè)過程。

熱傳導(dǎo)分析是計(jì)算節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化量，即計(jì)算因水泥水合過程中發(fā)生的放熱、對流、傳導(dǎo)引起的節(jié)點(diǎn)溫度變化。溫度應(yīng)力分析是使用熱傳導(dǎo)分析得到的各時(shí)間段的節(jié)點(diǎn)溫度分布以及材料隨時(shí)間變化的特性、混凝土隨時(shí)間變化的收縮、混凝土隨時(shí)間和應(yīng)力變化的徐變等，計(jì)算大體積混凝土各施工階段應(yīng)力。

1 工程概況

四川岸、云南岸的錨體構(gòu)造、結(jié)構(gòu)尺寸均相同，兩岸錨體長度均為28m，前錨面7×8m（寬×高），為頂部為圓弧形的實(shí)心斷面，圓弧半徑3.5m，后錨面7×11.6m（寬×高），采用C30聚丙烯纖維微膨脹抗?jié)B混凝土建立模型，兩岸錨體長度均為28m，前錨面7×8m（寬×高），為頂部為圓弧形的實(shí)心斷面，圓弧半徑3.5m，后錨面7×11.6m（寬×高）建立模型，運(yùn)行模型。

對比手算結(jié)果，溫度應(yīng)力誤差很小。

2 結(jié)論

本文簡單介紹了混凝土水化熱分析的方法，利用Midas-fea軟件對隧道錨建立仿真模型計(jì)算，對月亮灣大橋隧道錨在實(shí)際施工過程中的各種溫度控制和監(jiān)測控制作了簡單的闡述，并對溫度控制監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了記錄和整理。在此基礎(chǔ)上，綜合分析檢測結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1）本文利用MIDAS-fea軟件建立了有限元模型，模擬了大體積混凝土隧道錨的溫度應(yīng)力場，控制的溫度基本上與計(jì)算結(jié)果一致。

2）在控制溫度的措施上最有效的就是添加冷凝管并通冷水。

3）每一層混凝土水化熱的峰值一般出現(xiàn)在建筑完成后的78小時(shí)左右。

4）混凝土升溫速率快，降溫速率慢，尤其在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，溫度比較高。

5）可以通過增加冷凝管的進(jìn)出口數(shù)量，減少冷凝管的長度。

3 提出問題

Midas-fea軟件在仿真分析時(shí)會(huì)出現(xiàn)那些與實(shí)際情況不符合的情況？

在進(jìn)行有限元分析的時(shí)候，比如這個(gè)模型，隧道錨體內(nèi)有鋼筋束，我們在建模的時(shí)候未有考慮鋼筋對大體積混凝土裂縫控制的影響，并沒在模型中很好的反映出來，比如實(shí)際溫度已經(jīng)超過規(guī)范允許值，但隧道錨未檢查出溫度裂縫的情況。

在進(jìn)行加設(shè)強(qiáng)制溫度的時(shí)候，常常會(huì)對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行圈選，不能有效的完整的把表面結(jié)構(gòu)完全的選入，在建模的情況下，不可避免的會(huì)發(fā)生這些情況。

在冷凝管添加的時(shí)候，在模型進(jìn)行六面體的網(wǎng)格分析過程時(shí)，模型內(nèi)部無法完整的按照規(guī)則的六面體進(jìn)行劃分，導(dǎo)致在最后添加冷凝管的時(shí)候，不能像cad圖紙上完全的表現(xiàn)出來，會(huì)出現(xiàn)曲折的現(xiàn)象，冷凝管的添加會(huì)直接的影響模型最后的溫度范圍在3～4度之間。當(dāng)然，在添加冷凝管時(shí)，經(jīng)常會(huì)錯(cuò)選錯(cuò)點(diǎn)到下層的點(diǎn)上，在消隱的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)冷凝管錯(cuò)中復(fù)雜，應(yīng)該在添加的同時(shí)，進(jìn)行每層的消隱，看看是否有錯(cuò)誤發(fā)生。

模型缺陷，隧道錨是一個(gè)完整的封閉的物體，在建模的同時(shí)需要在錨體的周邊添加封閉體，而不是簡單的在錨體表面添加各種約束，個(gè)人認(rèn)為在修建隧道錨的同時(shí)也是一個(gè)對外環(huán)境進(jìn)行熱交換的時(shí)候，在外表面加上物體有利于更好的反映物體熱交換的體現(xiàn)。

網(wǎng)格劃分問題，因?yàn)槭呛唵谓＃趧澐志W(wǎng)格的時(shí)候選取了大網(wǎng)格的劃分，大網(wǎng)格劃分不能直接體現(xiàn)有限元分析的精確性，在劃分網(wǎng)格時(shí)，應(yīng)該選取小網(wǎng)格劃分來分割模型，這樣更有利與模型數(shù)據(jù)的正確性和精確性。

【參考文獻(xiàn)】

[1] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 重慶交通大學(xué)，錨碇大體積混凝土配制及關(guān)鍵施工技術(shù)研究.

[3] 厚壁空心高墩施工階段混凝土水化熱溫度效應(yīng)研究，蘭州交通大學(xué)， 橋梁與隧道工程，2013.

[4] 大體積混凝土早期水化熱溫度場有限元分析，西南大學(xué)， 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程，2013.

作者簡介：黃梓恒 1993.3.5 男 漢 重慶 研究生 大跨徑橋梁設(shè)計(jì)理論;重慶市南岸區(qū)學(xué)府大道66號(hào)重慶交通大學(xué)