大体积混凝土温度场有限元分析.pdf

第 3 2卷第 5期 2 0 1 0年 5 j 人民黄河 YELL OW RI VER Vo 】 3 2 N o 5 Ma y， 2 01 0 【 水利水 电工程 】 大体积混凝土温度场有限元分析 王 军玺 一 ， 王 晖 ( 1 兰州交通 大学 土木工程学院 ， 甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 ； 2 河海大 学 水利水 电工程 学院 ， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ； 3 新疆维 吾尔 自治区水利水 电建设工程造价管理总站， 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 0 0) 摘要： 基于瞬态温度有限元方法， 采用大型有限元商业软件 A N S Y S模拟大体积混凝土锚碇薄层浇筑动态施工期及运 行期的温度场， 对比 日照影响、 不同气温、 不同浇筑温度、 不同浇筑间歇期、 不同浇筑层厚等情况的仿真计算结果， 得 出： 浇筑温度 对混凝 土锚碇施工期温度场的影响比较大 ； 气温周期 变化对运行期混凝土温度的影响大于施 工期 ； 太阳辐射 对 混凝土锚碇的温度场有一定影响； 混凝土分层浇筑层间间歇期对混凝土锚碇的温度场影响较大， 但最终达到稳定温度的 时间基本不 变。 关键词 ：大体积混凝土 ；温度场 ；有 限元 中图分类号 ：U 4 4 8 2 5 文献标 识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 01 3 7 9 2 0 1 0 0 5 0 5 2 混凝土内外温差过大会 导致其 温度应 力超过 其抗拉 强度 而产生表而裂缝， 表面裂缝有可能发展成为贯穿性裂缝， 危及 大体积混凝土结构的安全。笔者以已建某悬索桥混凝土框架 型重力式锚碇锚块 为研 究对象 ， 根 据其分 层浇 筑 、 快 速施 工的 特点 ， 以热传导理论和瞬态温度场三维有限元方法为基础， 采 用大 型商业有 限元软件 A N S Y S对其进行 了温度场仿真计算。 1 计算基本资料 1 1 气温 桥址年平均气温为2 1 0。气温变化可用余弦函数表 示为 = 2 1 o+7 _ 5 c 0 s ( 4 9 ) 式中 ： t 为距离开始施工 的时 间， d 。 大体积混凝土在施工过程中， 表面温度受 E t 照影响将高于 气温， 在计算温度场时必须考虑太阳辐射热的影响。工程计算 中第三类边界可以包括辐射热边界。该桥址处年平均风速取 3 2 n r s ， 日照相 当于年平均气 温提高 9 2 0 q c， 气温年 变幅提 高 3 6 O 。日照引起气温变化可用余 弦函数表示 为 =9 2 0十3 6 0 c o s ( +4 9 ) 1 2 混凝土与基岩的热学参数 该锚碇混凝土的试验数据及基岩热学参数见表 1 。 混凝土绝热温升采用双曲公式计算 ： ( )： n+ 式中 ： r 为混凝土龄期 ， d ； O o 为 r 时的最终水化 热绝热温 升 ， ； 0 ( )为龄期为 7 _ 时的绝热 温升 ， ； n为常数 ， 取 1 0 6 8 。 表 1 混凝土及基岩的热学参数 2 温度场有限元计算理论基础 由热传导理论， 考虑三维不稳定温度场， 在区域 内 应满 足拉普拉斯方程 ： 磐 + + + ( 一 ) ： 0 a x z a a ZL O l a f af 初始条件 为 T ( ， Y， ， 0) = ( ， Y ， z ) 第一类边界条件为 ( r )=_厂 ( ) 1 】 4 第二类边界条件为 一 ： ， ( ) 一 八 ) 第三类边界条件为 一 A aT ：卢 ( T ) d 式 中： 为温度 ； 为绝热 温升 ； JB为表面放 热 系数 ； A为 导热系 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 6 - 0 2 作者简介 ： 王 军玺 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 甘肃秦安人 ， 讲师 ， 博士 ， 研 究方 向为水 工结构 现代设计、 分析理论及方法。 E ma i l ： w a n g j u n x i0 8 0 1 0 1 1 2 6 c o m 人 民 黄 河2 0 1 0年第 5期 数 ； a为导 温系数 ； T a 为气温 。 根据变分原理 ， 这个问题等价于下述泛函的极值问题： ， ( ) = O以 T ) + ( ) + ( 警 i ( ao 一 ) r， d y 出 + 一 采用中点差分隐式解法得 ： ( 肌 ) T n R -0 式 中： 日为热传导矩 阵 ； 为热容量矩 阵 ； + 为节点温度 向量 ； F 为节点 的外 部热向量 ； 为时间步长 。 、F 、 F 是 已知 的 ， 上式是 关 于 + 。的线 性方 程组 ， 可 解得各节 点在 r= 时 的温 度 。 3 计算模型及计算条件 3 1 三维有限元模 型 为了减小有限元计算时边界条件引起的误差， 截取了较大 的地基计算范 围 ： 纵 向从 混凝 土 锚块 向左 、 向右各 取 2倍锚 块 长， 为6 4 IT I ； 横向从混凝土锚块向前取 2倍锚块宽 ， 为 2 5 IT I ； 深 度方向从建基面垂直向下取 2倍锚块高 ， 为7 5 m。 采用 S O L I D 7 0六面体 8节点等参热单元 ， 每个节点只有一 个温度自由度， 运用此单元建立实体模型进行瞬态热分析。为 了保证模拟的精确性 ， 在划分有限元网格时， 沿锚碇高度方向 ( 竖 向) 划分 得 比较密 ， 每一浇筑层划分为 2层单元 。网格划 分 完毕后， 整个模型的单元数为 1 3 8 2 4 ( 其中基础部位为 6 7 1 9个 单元) ， 节点数为 1 6 8 6 3 。 3 2计算方法 大体积混凝土的分层浇筑是一个动态过程 ， 分析中对于浇 筑单元采用单元生死功能进行处理。边界上存在空气和混凝 土的热对流 ， 属于热分析 中的第 三类 边界条 件 ， 对 流边 界条 件 可以作为面荷载施加于实体模型的表面来计算 固体和气体间 的热交换 ， 但 当上层混凝 土单 元被 激 活时 ， 下 层混 凝土 单元 的 顶部热边界消失。因此， 当激活上层混凝土单元时， 应当删除 下层单元顶部的对流边界条件。在 A N S Y S软件中， 混凝土的 绝热温升通过生热率来实现。在施工过程中混凝土内部生热 率及外界气温是随时间变化的参数 ， 为更好地模拟这种变化 ， 采用了 A N S Y S软件 中的函数 功能和表格施加荷 载技 术 J 。 3 3计算 方 案 的选 择 计算 中考虑混凝土水化生 热 、 外 界气温 的变化 、 太 阳辐射 、 不同浇筑间歇期、 不同浇筑温度、 不同分层厚度等因素， 合理选 取荷 载步长 ， 具体方 案见表 2 。 4 计算结果分析 经过仿真计算得到了各方案温度分布等值线及典型点温 度变化曲线。对仿真计算结果分析如下。 4 1 浇筑 温 度影 响分 析 ( 1 ) 浇筑温度对混 凝土锚 碇施 工期 温度场 影 响比较 大 ， 浇 筑温度越高， 锚碇各时刻相应的最高温度也越高。方案 1与方 案 2浇 筑温度相差 1 0 0 ， 其 施工 期各 时刻 最高 温度 差值 随 着 时间的推移逐渐变 大 ， 最 大相 差 9 9 2 ， 运行期 各时刻最 高 温 度差值随着时 间的推移逐渐变小 。 表 2 5种计算方案 注 ： =( 2 3 6 5)( f+4 9) ( 2 ) 混凝土水化 速度 与浇筑 温度 有关 ， 方案 1中最 高温度 出现时间 比方案 2中最高 温度出现时 间晚 4 d 。这说 明混凝 土 水化 速度随浇筑温度 变化 ， 而混凝 土强度 的变化和水 化放热基 本同步。因此， 控制浇筑温度对降低施工期温度场最高温度有 很 大作 用 。 4 2外界 环 境温 度影 响 分析 ( 1 ) 外界环境 温度对混 凝 土温度 的影 响。同一 浇筑 层 、 同 一 高度的点其 最 高温 度从 内到外 逐 渐 变低 ； 同一 浇 筑层 内部 点 、 顶部点 、 侧边上 的点最高温度依次 变低 ； 上部混 凝土浇筑层 水平尺寸较小， 其最高温度较下部浇筑层最高温度低 ； 降温速 率 由夕 至 0 内变， J 、 。 ( 2 ) 外界环境温度 的周 期变化对混凝 土温度 的影响 。环境 温度 的年周 期变化对混凝 土锚碇施工期 温度场 的影响不 大 ， 最 高温度相差很小； 在运行期考虑环境温度周期变化的方案 3降 温速度 较快 ， 外 部节点温 度 基本 随环境 温度 同周 期 波动 ， 且步 调基本 一致 ， 变 化幅度较 大 ； 内部 节 点距 离表 面越 远波 动幅度 越小 ， 并且在 时间上滞后 ； 降温速率 由外到 内变小 。 因此 ， 如果没 有采 取相 应 的温 控措 施 ， 在 施工 期影 响混凝 土锚碇 温度 的主要 因素 为环境温度与混 凝土水化 热 ， 而在运行 期影 响锚碇 温度 的主要 因素为环境温度 。 4 3 太 阳辐射影响分析 太阳辐射对混凝土锚碇的温度场有一定影响， 计算结果表 明混凝土锚碇内部最高温度各时刻最大相差 4 0 ， 可见太阳 辐射对锚碇施工期温度场的影响较大。在实际工程 中， 太阳辐 射还使 浇筑 层表面温度上 升较 高 ， 并使 之水分 蒸发 、 干缩 ， 对锚 碇产生不 良影响 。因此 ， 如果 白天浇筑 混凝土应 采取一 定的措 施来减少太阳辐射的影响。 4 4 分 层 浇筑层 间间歇 期影 响 分析 混凝土分层 浇筑层 间 间歇 期 对混凝 土锚 碇 的温度 场有 比 较大的影响。计算结果显示， 混凝土锚碇施工期同一浇筑层的 间歇期 内最 高温度相差 3 0左右 ， 并且 方案 5中浇筑层温 度 在相邻下一层混 凝土施工时 明显 回升 ， 而 在运行期 相同时 间段 内层间 间歇期较 长浇筑的混凝 土最 大温度 降幅较 大 ， 但方 案 2 与方案 5最终达 到稳定 温度的时问基本相等 。 4 5 不 同混凝土浇筑层厚计算结果分析 浇筑层 厚 度越 大 ， 其 内部最 高温度 越 高 ， 层 厚相 差 0 5 m 时最高温度相差 3 0左右 。 ( 下转第 1 1 7页) 1 1 5 人 民 黄 河2 0 1 0年第 5期 时间 ， h ( m。 k g ) ； T为试验 累计 时间 ， h ； A为试什 受冲磨面积 ， m ； 为经过 时段 冲磨后 ， 试件 累计损失 的质量 ， k g 。 表 3混凝土 2 8 d抗冲磨强度 表 4混凝土 6 0 d抗冲磨强度 试验结果表明： ( 1 ) 在混凝土含气量相等的情况下， 当粉煤灰掺量小 于 5 0 时 ， 混凝 土的水胶 比越小 、 粉煤灰 掺量 越大 ， 抗 冲磨强 度越 大 ； 当粉煤灰掺量 大于 5 0 时 ， 混凝 土的水胶 比越小 、 粉煤灰 掺 量越大， 抗冲磨强度反而越小。 ( 2 ) 混凝土的抗冲磨强度随混凝土龄期的延长而增大。 ( 3 ) 混凝土的抗压强度越 大 ， 抗 冲磨强 度越大 。 ( 4 ) 在混凝土中掺加减水剂 和引气 剂可 以有效提 高抗 冲磨 强度 。 ( 5 ) 混凝 土 中粉煤灰 的掺量达 到 5 0 时最为适宜 。 5 结语 ( 1 ) 浇筑 温度对混凝 土锚碇 施工 期的温 度场 影响 比较 大 ， 浇筑温度越 高 ， 锚碇各 时刻 的最 高 温度 也越 高 ， 控制 浇筑 温度 对降低施工期最高温度有很大作用。 ( 2 ) 气温 周期 变化 对运 行期 混 凝 土温度 的影 响大 于 施工 期 。在施工期影响混凝土锚碇温度的主要 因素为环境温度与混凝 土水化热， 而在运行期影响锚碇温度的主要因素为环境温度。 ( 3 ) 太 阳辐射对混凝土锚碇 的温度 场有一定 的影 响。 ( 4 ) 混凝 土分层浇筑层问 间歇期对 混凝土锚碇 的温度 场有 比较 大的影 响 ， 但最终达 到稳定 温度的时 间基本不 变。 参考文献 ： 1 潘世建， 杨盛福 厦门海沧大桥建设丛书 M 北京 ： 人民交通出版社 随着 粉煤灰 掺 量的增加 ， 混 凝土抗 冲磨强 度先 升后降 ， 其 原因是粉煤灰 可以降低 混凝土的绝热 温升 ， 它 与水泥水化 过程 中析 出氢氧化钙缓 慢进 仃“ 二 次反 应” ， 生成水 化锅 硅酸钙 ， 与 水泥浆硬化体 晶格 坚 固地 结 合起 来 ， 改 善胶 凝 材料 的界 面结 构， 从而提高混凝土的抗冲磨性能。但是， 当粉煤灰的掺量超 过适宜掺鼍时 ， 混凝土的抗压强度降低， 抗冲磨强度也会降低。 粉煤灰对混凝土的整体强度具有改善作用 ， 早期强度会有所降 低 ， 但 是后期强度会持 续增 长 ， 达到 甚至 超过 基准混 凝土 的强 度 ， 所 以粉煤灰混凝土 的抗 冲磨 强度会 随着养 护龄期 的延 长而 提高 。 3 结论 ( 1 ) 混凝土 巾掺加 粉煤 灰能够 改善混 凝土 的整体 强度 ， 提 高抗冲磨强度。当粉煤灰掺量达到 5 0 时， 表现最为明显。 ( 2 ) 在粉煤灰掺量为4 0 6 0 时， 混凝土的抗冲磨强度 大于基准混凝土， 可以满足工程应用的需要 ， 实现经济和环保 的工程要求 。 ( 3 ) 在混凝 土中大量掺加粉煤灰会大大 降低 混凝 土的早期 强度 ， 需 要在混凝土 中掺加 减水 剂和 引气 剂进行 调节 ， 这 也是 大掺量粉煤灰混凝土在工程应用中存在的主要问题。 参考 文献 ： c 1 尹延 国， 胡献国 ， 朱元吉 水工 高强混凝 土抗磨 耐蚀 试验研 究 J 水利水 电 技术 ， 】 9 9 8 ， 1 2 ( 2 9 ) ： 5 1 5 2 2 杨春光 ， 王正中 ， 田江永 水工混凝 土抗 冲磨 性能 试验研 究 J 人民黄河 ， 2 0 0 6 2 8 ( 4)：7 3 7 4 3 薛媛， 娄宗科 粉煤灰混凝土抗冲磨性能试验研究l j 人民黄河， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 5) ： 9 4 9 5 4 陈晓波 粉煤灰胶 凝材 料体 系混 凝j 的应用研 究 J 浙 江建筑 ， 2 0 0 9， 2 6 ( 8) ： 6 66 9 5 王建 英 浅 谈粉 煤 灰住 高性 能 混凝 土 中的 应 用 J 山西 建 筑 ， 2 0 0 3 ， 2 9 ( 1 5 )： 5 6 【 责任编辑乔韵青】 2 朱伯芳 水： 【 混凝土结构 的温度应 力与温度控 制 M 北京 ： 中 国水利 水电 出版社 ， 2 0 0 2 3 龚 曙光 A N S Y S基础应用及范例解析 M 北京 ： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 4 夏雨， 王大伟， 周月娥， 等 大体积混凝土施工期最高温度计算方法研究 J 人 民黄河 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 ) ： 9 2 9 4 5 杨秋玲 ， 马 可检 大体积混凝 土水化热 温度场三 维有 限元分析 J 哈尔滨 工业 大学学报 ， 2 0 0 4， 3 6 ( 2 )： 2 6 12 6 3 6 康迎宾， 贾小刚， 王亚春 代古寺混凝土拱坝温度应力场仿真分析 J 人民 黄河 ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 6 ) ： 6 9 7 O 7 张亮亮 桥墩混凝土水化热温度有 限元分 析 J 重 庆大学 学报 ： 自然科学 版 ， 2 0 0 7 ， 3 0 ( 1 0 )： 7 37 6 8 李骁春 ， 吴胜兴 基 于 A N S Y S的混凝土早期徐变应力仿真分 析 J 系统仿 真学报 ， 2 0 0 8 ， 2 0 ( 1 5 )： 3 9 4 4 3 9 4 7 9 夏雨 ， 张仲卿 ， 赵小莲 ， 等 大体积混 凝土施 工期温 度场 的随机有 限元分析 J 人民黄河 ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 5 ) ： 9 1 【 责任编辑张华岩】 l 1 7 * 沣 m 许 H 一 * 辂 汁 ： # 捧 ： # = 皇 = # 一 H ， 页 * 5 一