鋼渣地基的熱應(yīng)力場分析

納娜

【摘 要】間接耦合分析是以設(shè)定的順序求解單個物理場作用的模型。本文的計算屬于熱與結(jié)構(gòu)的間接耦合，考慮溫度分布的變化對結(jié)構(gòu)中應(yīng)力應(yīng)變和位移等物理量的影響。

【關(guān)鍵詞】溫度場；熱應(yīng)力；模擬

【Abstract】Indirect coupling analysis is to set the order for a single physical field model. Indirect coupling calculation in this paper belongs to the thermal and structure， considering the variation of temperature on the distribution of stress and displacement of structure.

【Key words】Temperature field； Thermal stress； Simulation

0 引言

物體由于約束或各部分溫度變化不均勻，熱變形不能自由進(jìn)行時，則在物體中產(chǎn)生應(yīng)力。物體由于溫度變化而引起的應(yīng)力稱為“熱應(yīng)力”或“溫度應(yīng)力”

間接耦合分析是以設(shè)定的順序求解單個物理場作用的模型。各個物理場間的影響是單向的，前一個物理場的計算結(jié)果作為下一個物理場計算的條件。計算時不需要特殊的單元類型，效率要提高很多。

本文的計算屬于熱與結(jié)構(gòu)的間接耦合，考慮溫度分布的變化對結(jié)構(gòu)中應(yīng)力應(yīng)變和位移等物理量的影響?？紤]熱到結(jié)構(gòu)的耦合，即溫度分布變化引起的位移變化，熱到結(jié)構(gòu)的作用是單向的。位移及應(yīng)變的變化對于溫度分布的影響可以忽略。

ANSYS中用于瞬態(tài)熱分析的三維實體單元為Solid70，轉(zhuǎn)化為用于熱-應(yīng)力分析的單元為Solid45，Solid45單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)。單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著x，y，z方向平移的自由度。單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變能力。Solid45單元的更高階單元是Solid95，單元由8個節(jié)點和各向同性的材料參數(shù)來定義。

1 計算的主要步驟

1）進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析；

2）轉(zhuǎn)換單元類型；

3）定義結(jié)構(gòu)的材料屬性（包括熱膨脹系數(shù)ALPX，彈性模量EX等）；

4）將熱分析中的節(jié)點溫度（結(jié)果文件.RTH）讀入到結(jié)構(gòu)分析中作為體荷載；

5）施加邊界條件并進(jìn)行結(jié)構(gòu)場計算；

6）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后處理，得到各點應(yīng)力應(yīng)變、位移。

2 對鋼渣地基位移場的模擬

鋼渣地基的位移場分析是建立在溫度場的基礎(chǔ)上，把鋼渣的不同年份的溫度場作為體載荷加入到這些單元上，然后進(jìn)行分析。

鋼渣地基的熱應(yīng)力場分析是建立在其溫度場基礎(chǔ)之上的，利用ANSYS多物理場的耦合功能，把熱分析的溫度數(shù)據(jù)輸入到結(jié)構(gòu)分析中，并加入結(jié)構(gòu)分析所需要的熱膨脹系數(shù)、彈性模量等即可進(jìn)行求解溫度梯度應(yīng)力，節(jié)點應(yīng)力應(yīng)變及位移。

3 模擬計算結(jié)果比較與分析

3.1 位移計算結(jié)果

自重情況下的位移量最大值是0.67m，在渣層最厚的地方，巖層因為不考慮溫度的影響，位移變化量很小。已完成位移圖情形的最大位移為0.55m，比自重情形增長十幾厘米，測溫時刻的鋼渣地基因反應(yīng)生熱，有熱量積聚而保持一定溫度，溫度增長是比自重引起的位移增大的主要原因。渣體表面施加60℃以及120℃熱源的情形，位移變化在渣層較厚區(qū)域相差不大，而在巖層較厚的區(qū)域位移變化相差較大容易引起不均勻的變形。

zk38以前的各鉆孔，除去zk11，zk21，zk35，其他各個鉆孔的位移變化量都很小，在zk36之后各鉆孔的區(qū)域，位移變化量是越來越大，渣層最薄的zk25達(dá)到了將近0.9m，也就是說在已完成位移基礎(chǔ)上，將產(chǎn)生0.9m的位移。zk25處第2年位移變化在兩種熱源作用下分別0.08m和0.18m，第5年的位移變化分別為0.2m和0.48m，第10年的位移變化為0.33m和0.88m，這么大的位移足以破壞上部的建筑物。

3.2 應(yīng)力計算結(jié)果

大部分區(qū)域受到壓應(yīng)力，熱源影響第5年和第10年時刻在巖層區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，是由巖石受熱膨脹所導(dǎo)致，且第10年的受拉區(qū)域大于第5年，因計算模型處于整個渣場中，四周被鋼渣包圍，不會出現(xiàn)滑坡等情況。

4 模擬結(jié)果分析

鋼渣地基中巖層厚度對位移的影響比較大，雜土層的厚度大多在2m以內(nèi)，相對于55m的模型來說，可以忽略其影響。

鋼渣地基在60℃與120℃熱源作用下，在渣層厚度均勻的區(qū)域，位移的變化也是基本相同，在渣層厚度變化較大的區(qū)域，鉆孔之間的位移相差較大，在zk24、25、26、28區(qū)域的巖層較薄且厚度變化較大，巖層上表面呈斜坡狀，計算所得的位移值相差達(dá)到了0.4米左右。在表面沒有熱源的區(qū)域，比如zk42距離熱源較遠(yuǎn)，位移值在0米附近，基本等于沒有變化。但是在渣層厚度基本相同的zk39區(qū)域，其距離熱源近一些，位移值就有3厘米左右。距離熱源距離越遠(yuǎn)，影響越小。zk36，zk37位移值就比zk41，zk42要大。距離熱源較近區(qū)域的位移變化也應(yīng)考慮，離熱源距離的變化也會產(chǎn)生不均勻的位移變化對上部建筑非常不利產(chǎn)生裂紋甚至破壞。大體積鋼渣地基Z向應(yīng)力大部分區(qū)域受到壓應(yīng)力，在巖層升溫幅度較大的區(qū)域由于膨脹而出現(xiàn)拉應(yīng)力，熱源影響時間越長，拉應(yīng)力的區(qū)域越大。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐秉業(yè)，劉信聲.應(yīng)用彈塑性力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2]張國智，胡仁喜，陳繼剛，等，編.ANSYS10.0熱力學(xué)有限元分析實例指導(dǎo)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[4]劉佑榮，唐輝明.巖體力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008，12.

[5]位向飛.攀鋼鋼渣作為大體積地基回填料的數(shù)值模擬研究[D].2011，5.

[責(zé)任編輯：湯靜]