船坞底板大体积混凝土温度场及应力场仿真分析.pdf

水利水电技术第4 2卷2 0 1 1年第 1期 船坞底板大体 积混凝土温度场及应 力场仿真分析 吴丹 ，田振 华 ，马文丽 ( 1 河海大学 水利水 电工程学院，江苏 南京2 1 0 0 9 8 ；2 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点 实验室，江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ；3 水资源高效利用与工程安全国家工程研 究中心 ，江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘 要：以热传导方程和应力增量方程为基础 ，用 A B A Q U S有限元分析软件对一按 间隔时间为 7 d进 行浇筑的船坞底板混凝土 9 0 d后的温度场和应力场进行 了计算和分析。结果表明 ，间隔7 d的分 4层 浇筑的方案 ，可以满足混凝土抗裂要求。 关键 词 ：大体 积混 凝 土 ；分 层 浇筑 ；温度 场 ；应 力场 ；船坞 ；港 口工程 中图分类号 ：U 6 7 3 ( 2 5 3 ) 文献标识码 ：A 文章编 号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 4 1 0 3 S i m ul a t i o n a na l y s i s o n t e mpe r a t u r e fie l d a nd s t r e s s fie l d i n mas s c o nc r e t e o f d o c k flo o r s l a b W U Da n ，T I AN Zh e nh u a ， ，MA W e n l i ， ( 1 C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g ， H o h a i U n i v e r s i t y ， N i n g 2 1 0 0 9 8 ， J i ang s u ， C h i n a ；2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H y d r o l o g y Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r a u l i c E n gi n e e r i n g ， H o h m U n i v e rs i t y ，N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ，J i a n g s u ， C h i n a ；3 N a t i o n a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f Wa t e r R e s o u r c e s E f fi c i e n t U t i l i z a t i o n a n d E n g i n e e ri n g S a f e t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ，J i a n g s u ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d O H t h e h e a t c o n d u c t i o n e q u a t i o n a n d s t r e s s i n c r e me n t e q u a t i o n ，t h e t e mp e r a t u r e fi e l d a n d s t r e s s fi e l d i n t h e c o n c r e t e o f t h e fl o o r s l a b o f a d o c k p l a c e d w i t h t h e i n t e rva l o f 7 d i s c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e d t h r o u g h A B A Q U S fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s a f t e r 9 0 d o f i t s p l a c e me n t T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e p l a c e me n t s c h e me o f p l a c i n g i n f o u r l a y e r s wi t h t h e i n t e rva l o f 7 d c a n me e t t h e c o n e r e t e a n t i c r a c k i n g r e q u i r e me n t c o n c e r n e d Ke y wo r ds：ma s s c o n c r e t e；l a y e r e d p l a c e me nt ；t e mpe r a t u r e fie l d；s t r e s s fie l d；do c k；h a r b o r e ng i ne e r i n g 1 引言 目前，在我国建设 的港口中，大体积混凝土温度 应力 已经给施工带来了很多问题 。控制大体积混凝土 的内部温度 ，进而减小温度应力 ，对控制混凝土开裂 是很重要的 ，分层浇筑是有效方法之一。以江苏熔盛 重工集团有限公司船厂项 目的船坞底板模型为例 ，热 传导方程 和应力增量方程为基础 ，用 A B A Q U S有限 元分析软件对浇筑后 9 0 d的温度场和应力场进 行 了 计算和分析。 2 计算原理 2 1 热传导方程 受混凝 土水化热 的影 响 ，混凝 土温度随时 问变 化 ，为非稳定温度场 T= ( ，Y ， ，r ) ，在混 凝土 区域 R内，热传导方程为 ， d r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g V o 1 4 2 No 1 = 窘 + o 2_r + + do e ( v ( ( 1 ) 式 中，O 为导温系数( m h ) ；0为混凝土的绝热温升 ( o C) ；r为混凝土龄期 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 0 - 1 5 基金 项 目：国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 5 1 0 7 9 0 4 6，5 0 9 0 9 0 4 1 ， 5 0 8 0 9 0 2 5， 5 0 8 7 9 0 2 4) ；国 家 科 技 支 撑 计 划 课 题 ( 2 0 0 6 B AC I 4 B 0 3 ， 2 0 0 8 B A B 2 9 B 0 3 ) ；河海大学水文水资源与水利 工 程 科 学 国 家 重 点 实 验 室 专 项 基 金 ( 2 0 0 9 5 8 6 0 1 2 ， 2 0 1 0 5 8 5 2 1 2 ) ；中央高校基本科研业务费项 目( 2 0 0 9 13 0 8 5 1 4， 2 0 1 0 B 2 0 4 1 4 ， 2 0 1 0 B 1 4 1 1 4) ；中国水电工程顾问集团公司科 技项 目( C H C K J - 2 0 0 7 - 0 2 ) ；江苏省“ 3 3 3高层次人才培养工 程” ( 2 0 1 7 B 0 8 0 3 7 ) ；江苏省普通 高校研 究生科研创新计划 ( C X O 9 B 一 1 6 3 Z) ；高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 ( 2 0 0 7 0 2 9 4 0 2 3 ) 。 作者简介 ：吴丹 ( 1 9 8 6 ) ，女 ，硕士研究生 。 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吴丹， 等船坞底板大体积混凝土温度场及应力场仿真分析 2 2热传导的初始条件和边界条件 满足热传导方程的解有无限多，为了确定需要的 温度场 ，还必须知道初始条件和边界条件。 ( 1 ) 初始条件 ：在相当多的情况下 ，初始瞬时的 温度分布可以认为是常数 ，即 当 = 0时，T=T ( ，Y ，z ，0 )=r 0 =常数( 2 ) ( 2 ) 边界条件：混凝土与空气接触时，为第三类 边界条件，混凝土表面的热流量与混凝土表面温度 r， 和气温 之差成正比，边界条件如下 一 A = 卢( 一 ) ( 3 ) 式中， 为放热系数( k J ( m h ) ) ；A为导热系 数( k J ( r n h o C) ) ； 为环境温度( ) 。 混凝土与地基的接触面为第 四类边界条件 ，在接 触面上温度和热流量都是连续的，边界条件如下 A = A ( 4 ) ： ，A = ( 4 ) 2 3水 泥水化 热与混凝 土绝 热温 升 水泥水化热是影响混凝土温度应力 的一个重要因 素 ，实际上温度场计算中用的是混凝土绝热温升 。采 用间接法测定绝热温升 ，即下测定水泥水化热 ，在根 据水化热及混凝土的比热、容重和水泥用量计算绝热 温升 ，混凝土的绝热温升为 0 ( )=0 o ( 1 一e 一 ) ( 5 ) 警 ( 6 ) 式中，m为水泥 的水化热系数 ；0 o为最终绝热温升 ( ) ；Q 。 为每 1 k g水泥散热量 ( k J k g ) ；W 为单位 体积混凝土的水泥用量 ( k g ) ；c为混凝 土 比热 ( k J ( k g o C) ) ； P为混凝土密度( k g m ) 。 2 4应 力增量 混凝土在复杂应力状态下的应变增量常常包括弹 性应变增量 s ： 、徐变应变增量 8 ： 、温度应变 增量 、干缩应变增量 和 自生体积变形增 量 ： ，因此有 = ： 十 ： + ： + ： 十 ： ( 7 ) 3计算实例 3 1 计算模型 江苏熔盛重工集团有限公司船厂项 目的船坞坞首 建筑 材料 为钢 筋混 凝土 ，坞首 混凝 土 强度 等 级为 C 3 0 ，坞首底板下用 1 0 c m厚 C 3 0素混凝土封底 ，底 板下采用 P H C预制预应力混凝土管桩进行处理 ，底 板和边墙最大厚度 2 m。坞首底板长 4 0 m、宽 3 5 m、 厚度为 2 m，采用通仓浇筑。由于浇筑层较薄，水化 热散热快 ，所以，浇筑层内并没有布设冷取水管 ，而 直接采用 自然冷却的方法。 本文利用有限元前后处理器 H y p e r Me s h对船坞坞 首底板进行了三维有限元仿真模拟。在厚度方向被分 成 4层 ，每层又分成 2层单元 。在长宽方 向划分成 4 8 个单元。底板模 型网格中的结点数达 5 6 7 ，单元数 达 3 8 4 。地基模型取长 6 0 m、宽 5 5 m，厚度为 8 m， 在厚度方向分成 4层单元，在长宽方 向划分成 1 2 0个 单元。底板模 型网格 中的结点数达 7 1 5 ，单 元数达 4 8 0 。单元网格模型如图 1所示。 图 1 混凝土底板和地基 的计算模型 3 2 参 数 的选 择 由于施工期较短 ，气温变化不大 ，把环境温度简 化 ，取做施工期月份 的常年平均月气温 2 6 ，地基 的环境温度为 1 7 1。混凝土的浇筑温度为 2 6。 混凝土底板和地基 的具体热学和力学参数如表 1 所列 。 表 1 模 型材料特性及其相关材料热学特性 部 位 参 数 底板 地基 导温系数 o u m d O 0 8 7 3 O O 9 6 导热系数 A k J-( 11 1 d o C) 2 l 5 7 6 2 l 5 7 6 比热 c k J- ( k g ) 1 0 3 0 0 5 热膨胀系数 a 8 51 0一 0 0 o 0 0 l 表面放热系数 口 l ( J ( m 2 d ) l 2 7 0 0 8 混凝土密度p k g 1 13 2 4 o 0 3 O o o E ( )=E o ( 1一e - m r ) 弹性模量 E G P a E o= 3 9 1 4 4 G P a ， 3 0 m =0 3 4 泊松 比肛 O 1 7 3 3 模型温度场和应力场仿真分析 本文利用 A B A Q U S有 限元分析软件对模 型 9 0 d 内的温度场和应力场进行计算分析 。计算温度场 时 假定地基与空气的接触为第三类边界条件，与底板 的接触为第 四类边界 ，底板 浇筑层 四周 和施工仓 面 为散热边界 ，无约束。底板最下层 的节点定义为地 基 的特性 。在计算应力场时 ，地基底部和地基四周 为固定约束 。在厚度方 向分 4层浇筑 ，每层 0 5 e m， 水利水电技术第 4 2卷2 0 1 1 年第1期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 考虑分层浇筑间歇时间为 7 d的情况 。本文主要是计算 温度场以及温度引起的应力场 ，所以计算的荷载较简 单，考虑水泥的水化热和环境温度 ，但 日照没有考虑。 4 计算结果及分析 坞首底板混凝土分成 4层浇筑 ，自下而上分别为 l a y e r l 、l a y e r 2 、l a y e r 3 、l a y e r 4 ，温度 的最大值一般出 现在浇筑层 的中心位置 ，则设各浇筑层 的中心点为温 度典型点 ，自下而上分别为 C 1 、C 2 、C 3 、c 4 。对于 应力而言 ，最大主拉应力是关注的重点 。最大拉应力 一 般出现在两浇筑层接触处 ，以中心处为典型点 ，自 上而下分别为 F 】 、F 2、 、F 4 、F 5 。 4 1 温度结 果分 析 从图2中心位置的典型点的温度历时曲线可以看 出，一层混凝土浇筑后 ，由于水泥水化热 的作用 ，温 度急剧上升，内部中心点在 23 d达到最大值 ，最高 温度为 3 4 4 ，由于混凝土表面和四周的散热 ，混凝 土温度慢 幔下降；当新一层混凝土浇筑后 ，由于新混 凝土水化热作用，下部混凝土块的温度受其影响而有回 升现象，不超过 2 o C 。因为浇筑层较薄，散热快，所以 温度值趋于稳定的时间早。最高温度等值线见图 3 。 3 6 p 3 2 2 8 赠2 4 2 O 0 7 1 4 2 1 2 8 3 5 4 2 4 9 5 6 6 3 7 O 7 7 8 4 时间 d 图 2 中心位 置典型点温度历时 曲线 图3 中心位置横剖面温度等值线分布图( 单位： o C) 4 2应力 结果 分析 ( 1 ) 由图4可知，最大主应力会受着温度影响而波 动，随着时间而增加，最后会趋于稳定。本文计算了9 0 d 的应力场，第 9 0天的最大主应力值为 1 0 1 6 M P a 。9 0 d 的最大主拉应力的等值线图见图5 。 ( 2 ) 由混凝土抗 拉强度公式 ： ( )：a f o ( r ) ( 0 = 0 3 0 5 ，b= 0 7 3 2 ) 得该 工况 的混凝 土抗拉强 度为 2 3 5 8 MP a ，温度应力应满足下列条件 f r 下、 ( r ) ( 8 ) 水利水电技术第4 2 卷2 0 1 1 年第1期 1 2 垂 R 0 6 辩 啦0 O 2 吴丹， 等船坞底板大体积混凝土温度场及应力场仿真分析 l 一F - 一F 4 一F - F - - 一 F1 1 r_一= I 乏 一 乡 _ 一 E 一 4 2 4 9 5 6 6 3 7 0 7 7 8 4 时间 d 图 4 中心位 置典型点最大主应 力历 时曲线 图 5 中心位置横剖面最大 主应力等值线分布 图( 单位 ：M P a ) 式 中， 为安全系数。 由( 1 1 ) 式可得 ，该工况安全 系数为 2 3 2 1 。 由 干船坞设 计规 范 可知 ，抗拉 安全系数可采 用 1 21 4 ，该工况满足 规范要求。由图 6可知在 整个浇筑过程最大主应力都满足要求 。 2 5 2 O 皇 5 1 0 O O 5 一 1十最大主应力 +容许应力I 一 、 、 e_ 。 0 7 1 4 2 l 2 8 3 5 4 2 4 9 5 6 6 3 7 O 7 7 8 4 时间 d 图 6 最 大主应力和容许应力历程 图 5 结语 在大体积混凝土施工过程中，严格控制混凝土水 化热是施工控制关键 ，分层浇筑是有效措施之一。分 层浇筑能满足大体积混凝土施工的抗裂要求 ，确保混 凝土的完整性 。A B A Q U S有限元分析软件能很好地模 拟混凝土水化热释放过程 ，得 出较精确的计算结果来 指导施工时所采用 的浇筑间隔时间。该工程施工时间 隔时间采用了 1 5 d ，能满足要求 。 参考文献 ： 1 朱伯芳 大体积混凝土混度应力 与温度控制 M 北京 ：中 国 电力 出版社 ，1 9 9 9 2 J T J 2 5 2 8 7 ，干船坞设计规范 s 3 石亦平 ，周玉蓉 A B A Q U S 有限元分析实例详解 M 北京： 机械工业 出版 社，2 0 0 6 ( 责任编辑欧阳越 ) 4 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m