基于ANSYS的大體積混凝土溫控仿真研究

吳繼想 陳海峰

摘 要：對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫度控制，確保溫控效果，是保證大體積混凝土澆筑質(zhì)量的重要手段。本文針對(duì)大體積混凝土制訂的溫控方案，利用ANSYS有限元分析工具進(jìn)行溫控仿真計(jì)算，對(duì)其溫控效果進(jìn)行演算，并對(duì)溫控方案的效果進(jìn)行校核，仿真結(jié)果表明，制定的溫控方案可以滿足混凝土的澆筑要求，通過(guò)該仿真計(jì)算方法，可以對(duì)溫控施工進(jìn)行指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土;溫控方案;ANSYS;仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）01-0107-03

Abstract： Temperature control of mass concrete to ensure the effect of temperature control is an important means to ensure the quality of mass concrete pouring.This paper used ANSYS finite element analysis tool to calculate the temperature control simulation for the temperature control plan formulated for mass concrete， calculated its temperature control effect， and checked the effect of the temperature control plan The simulation results show that the temperature control plan formulated can meet the requirements of concrete pouring， and the simulation calculation method can guide the temperature control construction.

Keywords： mass concrete;temperature control program;ANSYS; simulation

大體積混凝土是常見(jiàn)的工程結(jié)構(gòu)形式，由于其澆筑體量較大，混凝土導(dǎo)熱性能較差，導(dǎo)致其在澆筑過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，一旦溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全使用。因此，對(duì)大體積混凝土必須制訂合理可行的溫控方案，以減少其溫度應(yīng)力[1-2]。

對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫控仿真計(jì)算，是確保其溫控效果的重要手段[1，3]?，F(xiàn)有的大體積混凝土溫度控制和計(jì)算主要有經(jīng)驗(yàn)方式法、差分計(jì)算法、有限元計(jì)算法等[4-6]，其中經(jīng)驗(yàn)公式法主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)單的粗略計(jì)算，其計(jì)算精度較低;差分計(jì)算法對(duì)于結(jié)構(gòu)形式要求較高，且其溫度場(chǎng)計(jì)算較為準(zhǔn)確，溫度應(yīng)力計(jì)算復(fù)雜，且誤差較大;有限元法可以較好地實(shí)現(xiàn)大體積混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分析求解，其求解精度較高，且已經(jīng)開(kāi)發(fā)形成通用的有限元分析軟件，但是其建模過(guò)程較為復(fù)雜。通過(guò)方案比選，本文利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)實(shí)例工程進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)仿真結(jié)果，對(duì)溫控方案進(jìn)行校核，以驗(yàn)證是否滿足工程的溫控要求。

1 計(jì)算實(shí)例

1.1 工程概況

仿真實(shí)例選擇河南省東部某加壓泵站。該泵站承擔(dān)著向調(diào)蓄水庫(kù)加壓供水的任務(wù)，設(shè)計(jì)供水流量為22.90 m2/s。泵站最高運(yùn)行水位為39.95 m，設(shè)計(jì)水位為39.45 m，最低運(yùn)行水位為37.25 m，泵站設(shè)計(jì)裝機(jī)6臺(tái)（4用2備），水泵揚(yáng)程為29.14 m。采用水泵機(jī)型為GS1400-19/14B，電機(jī)YSPKK1000-14，總裝機(jī)6×2 240 kW，屬大（2）型Ⅱ等泵站。

該泵站主體工程由進(jìn)口段、檢修閘、進(jìn)水池、主廠房、副廠房及廠區(qū)、出水管線等部分組成。泵房上部設(shè)主廠房，主廠房?jī)蓚?cè)分別設(shè)副廠房和安裝間，檢修閘兩側(cè)設(shè)門(mén)庫(kù)，清污閘一側(cè)設(shè)清污機(jī)房。主廠房和安裝間均為一層框架結(jié)構(gòu)，副廠房、清污機(jī)房為磚混框架結(jié)構(gòu);主廠房和安裝間為鋼架屋頂。

進(jìn)口檢修閘共三聯(lián)，兩孔一聯(lián)，單孔凈寬9.0 m，閘前設(shè)移動(dòng)式清污機(jī)，并在清污機(jī)和檢修閘之間設(shè)置檢修橋，橋?qū)?m，檢修閘采用門(mén)機(jī)啟閉，檢修閘兩側(cè)各設(shè)一座門(mén)庫(kù)。檢修閘閘墩頂高程42.30m，閘底板高程34.25m。為減少不均勻沉降，開(kāi)挖范圍內(nèi)閘基下采用10%水泥土回填，壓實(shí)度不小于0.99?？紤]到檢修閘底板混凝土澆筑體量較大，屬于大體積混凝土，本次溫控仿真選擇其檢修閘底板作為仿真對(duì)象。

1.2 混凝土參數(shù)

此次澆筑擬采用混凝土等級(jí)為C30，水泥標(biāo)號(hào)為P.O42.5，粉煤灰級(jí)別為F類(lèi)Ⅱ級(jí)，礦粉規(guī)格為S95?；炷恋呐浔热绫?所示。

混凝土邊界與空氣接觸形成熱對(duì)流，為第三類(lèi)邊界條件，與基礎(chǔ)接觸面為第四類(lèi)邊界條件，由前述的配合比，并根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)資料可得混凝土熱學(xué)參數(shù)如表2所示。

在混凝土澆筑結(jié)束后，其表面通過(guò)覆蓋保溫材料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其熱學(xué)性質(zhì)和尺寸與混凝土相差過(guò)大，可采用等效放熱系數(shù)法進(jìn)行處理，處理后的[βs]可按式（1）計(jì)算：

式中：[β]為保溫層在空氣介質(zhì)中的放熱系數(shù);[hi]為保溫層厚;[λi]為其導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)施工方案，初步擬定其等效放熱系數(shù)為386 kJ/（m2·d·℃）。

混凝土的彈性模量是其應(yīng)力計(jì)算的重要參數(shù)。在澆筑混凝土后，其彈性模量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，其增長(zhǎng)呈現(xiàn)出非線性，可用式（2）表示：

式中：[E（τ）]為混凝土在齡期為[τ]時(shí)的彈性模量，MPa;[E0=1.45E28]，[E28]為混凝土在28 d時(shí)的彈性模量，N/mm2，本例取3.00×104 N/mm2。

1.3 澆筑參數(shù)

檢修閘底板一倉(cāng)混凝土澆筑尺寸長(zhǎng)×寬×高為22 m×15.4 m×3 m?；炷翝仓竟?jié)為6月上旬，為降低混凝土澆筑溫度，采取預(yù)冷骨料，冷水拌和，并在運(yùn)輸過(guò)程中采取措施，避免溫度倒灌，擬將澆筑溫度降低為18 ℃。

1.4 溫控措施

對(duì)于檢修閘底板的大體積混凝土澆筑，對(duì)其采取相應(yīng)的溫控措施，以減少溫度應(yīng)力。具體的溫控措施為：①優(yōu)化配合比，降低水泥用量：對(duì)于該大體積混凝土的澆筑，通過(guò)試驗(yàn)確定添加粉煤灰、礦渣粉兩種摻和料，合理降低水泥用量，減少水泥水化熱反應(yīng);②采用措施降低澆筑溫度：通過(guò)對(duì)骨料進(jìn)行風(fēng)冷，并添加冷水拌和，降低原材料溫度，在運(yùn)輸過(guò)程中避免熱量倒灌，控制澆筑溫度不高于18 ℃;③合理選擇澆筑時(shí)間：考慮到澆筑季節(jié)外界溫度較高，充分利用早晚、夜間及陰天氣溫較低的時(shí)段澆筑，盡量避免白天高溫時(shí)段澆筑混凝土;④合理制定養(yǎng)護(hù)措施：由于澆筑季節(jié)溫度較高，混凝土外表面采用流水養(yǎng)護(hù)，流水溫度控制在16 ℃，并覆蓋一層土工布養(yǎng)護(hù)，確定拆模時(shí)間為3 d。

2 溫控仿真計(jì)算

2.1 ANSYS分析軟件簡(jiǎn)介

通用有限元分析軟件可對(duì)工程情況進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，操作性強(qiáng)，且計(jì)算精度可滿足工程需要。ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由于ANSYS分析軟件具有強(qiáng)大的多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析求解功能，因此可以有效解決大體積混凝土溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大體積混凝土澆筑過(guò)程的仿真模擬。

ANSYS軟件基于MOTIF的圖形用戶界面，智能化菜單引導(dǎo)、幫助等，為用戶提供了強(qiáng)大的前后處理功能，直接建模與實(shí)體建模相結(jié)合，圖形界面交互方式大大地簡(jiǎn)化了模型生成，并可通過(guò)交互式圖形來(lái)驗(yàn)證模型的幾何形狀、材料及邊界條件;計(jì)算結(jié)果可以采用多種方式輸出，比如，計(jì)算結(jié)果排序和檢索、彩色云圖、彩色等值線、梯度顯示、矢量顯示、變形顯示及動(dòng)畫(huà)顯示等。其前后處理功能明顯優(yōu)越于同類(lèi)型的軟件[7-8]。

2.2 仿真單元選擇

針對(duì)該實(shí)例，選用SOLID70六面體8節(jié)點(diǎn)等參熱實(shí)體單元。SOLID70單元是ANSYS提供的三維熱單元，其有三個(gè)方向的熱傳導(dǎo)功能。該單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)溫度自由度，可用于穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)熱分析。計(jì)算溫度應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，將SOLID70單元轉(zhuǎn)換為等效結(jié)構(gòu)單元SOLID45單元，SOLID45結(jié)構(gòu)單元對(duì)應(yīng)于SOLID70熱單元。SOLID45單元可用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有3個(gè)沿[x]、[y]、[z]方向平移的自由度，其具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變功能[7]。

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果

選擇澆筑前7 d作為仿真時(shí)段，其7 d后的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)如圖1和圖2所示。

通過(guò)對(duì)澆筑過(guò)程進(jìn)行仿真模擬可知，混凝土溫度先升高后降低，其溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在混凝土中心點(diǎn)。這主要是由于水泥水化反應(yīng)在前期較為強(qiáng)烈，其產(chǎn)熱作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土向外的熱擴(kuò)散，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度急劇升高;后期，隨著水化反應(yīng)的減緩，混凝土產(chǎn)熱作用弱于散熱作用，混凝土溫度逐步降低。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算可知，混凝土中心點(diǎn)最高溫度可達(dá)48.6 ℃，其出現(xiàn)時(shí)間約為第5 天，此時(shí)混凝土表面點(diǎn)（距離表面50 mm）溫度約為26.8 ℃，內(nèi)外溫差為21.8 ℃，滿足規(guī)范要求。

混凝土最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在其表面邊角處，且拉應(yīng)力出現(xiàn)峰值后逐步降低，這主要是由于：混凝土在澆筑過(guò)程中出現(xiàn)內(nèi)外溫差，造成混凝土內(nèi)部由于膨脹受到外部混凝土的約束，從而造成內(nèi)部出現(xiàn)壓應(yīng)力，而外部出現(xiàn)拉應(yīng)力，由于邊角處距離基礎(chǔ)約束較遠(yuǎn)，基礎(chǔ)約束力較弱，因此容易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算可知，混凝土最大拉應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間約為第6天，其最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在邊角處，最大拉應(yīng)力值為1.18 MPa，按照混凝土C30的抗拉強(qiáng)度計(jì)算，其抗拉安全系數(shù)為1.42，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)大體積混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算方法進(jìn)行比選，選擇了精度較高的有限元仿真計(jì)算方法，針對(duì)具體工程實(shí)例的檢修閘底板混凝土澆筑，在確定其混凝土參數(shù)、澆筑參數(shù)的基礎(chǔ)上，合理確定了其溫度控制方案，并利用ANSYS仿真計(jì)算分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，該溫控方案下的檢修閘底板澆筑，其溫度變化和應(yīng)力變化均可以滿足規(guī)范要求和混凝土的強(qiáng)度要求。該仿真計(jì)算和分析方法也可以為類(lèi)似大體積混凝土的溫控施工提供參考和指導(dǎo)。

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