缺陷混凝土挡墙热传导数值分析.pdf

2 0 1 3 N O 3第1 2 卷 总第 1 1 3 期 岩土工程 5 d o i 1 0 3 9 6 9 is s n 1 6 7 1 - 9 1 0 7 2 0 1 3 0 3 0 0 5 缺陷混凝土挡墙热传导数值分析 Nu me r i c a l An a l y s i s o n He a t Co n d u c fi o n o f d e f e c fi v e Co n c r c Re t a i n i n g W a l l 康 庄 。 翟旭 茹 ( 重庆建工市政交通工程 有限责任公 司， 重庆 4 0 0 0 4 5 ) 摘要 ： 通过对具有不 同缺 陷设置及在不 同的边界 条件下的挡墙 的传 热的有 限元数值模 型分析， 得到 了不 同缺 陷设置情况 下挡墙的表 面温度 变化 规律 为红 外热成像技术在挡墙检测 中的应用提 供一定的理论依 据。 关键词 ： 红 外线热成像技术 ； 混凝土挡土墙 ； 热工参数 ； 有限元数值 分析； 稳 态分析 中图分类号 ： U4 4 6 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 1 9 1 0 7 ( 2 0 1 3) 0 3 0 0 0 5 - 0 4 Ab s t r ac t Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o n the fi n i t e e l -= a n e nt n u me r i c a l mo d e l o f h e a t t r a ns f e r o f r e taini n g wa l l 州 t l l d i 茚 r e n t d e f e c t s a n d d i ff e r e n t b o u n d a r i e s ， the c h ang i n g r u l e o f the wa l l s u r f a c e i s a c q u i r e d ， o ff e ri n g s o me t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e s f o r the a p p l i c a t i o n o f i n f r a r e d the r ma l i ma gin g t e c h n o l o g y i n t h e r e t a i ni n g wa l l d e t e c t i o n K e yw o r d s ： i n f r a r e d th e rma l i ma gi n g t e c h n o l o g y ； c o n c r e t e r e t a i n i n g w a l l ； th e r m a l p a r a me t e r ； n u m e ri c a l ana l y s i s o f fi n i t e e l e m e m； s t e a d y - s ta t e a n a l y s i s 引言 挡 土墙是最常见 的支挡构筑物 。它 不仅广泛应用于公 路、 铁路 、 城 市建设 的边坡 支护 。 也大量 应用于 水坝建设 、 港 口工 程 、 水土保持 、 山体滑坡 防治等领 域。混凝= E 挡 土墙常年经受 着 自然环 境 的考验 ， 基 础约 束 、 气温 变化 、 气候骤 变 、 水 质污 染 、 相邻混凝土块体制约 、 混凝土质量低劣及设 计和施工 上的 不当都会造成缺陷。常见 的缺陷包括裂缝 、 内部架空 、 表面 不 平整和空蚀磨损等。混凝土内部架空是一科隐蔽性缺陷 ， 架空 缺陷 的存在将降低混凝土的密实性 、 抗渗性、 抗冻性、 强度 。若 架空与止水相通， 会导致漏水 ： 出现在受力钢筋附近时， 会降 低混凝土对钢 筋的握裹力。造成混凝土 内部 架空的原 因主要 是施 工不 良 ， 包 括混凝土 运输过程 中严重分离 、 漏 浆 ； 入仓速 度 过快 ， 来 不及 平仓 振捣 ： 平仓不 善 ， 漏振 欠振 ： 缝 面处 理 不 当 ，沿缝面形成 空穴。 由于混凝土内部架 空不能通过 肉眼观 测 对 内部架空缺陷的检测方法 的研究一 直都 是一个重要课 题。自然界中任何高于绝对零度的物体都是红外辐射源， 红外 线是 介于可见红光和微波间 的电磁波 。 它的波长范 围在0 7 6 1 O 0 0 m之间 ，其中只有3 5 m和8 1 4 m的波段能很好地透过 ， 红外探测器就是利用这个波段进行探测 的句 当物体 内部存在 裂缝 和缺 陷时 它将改 变物体 的热传 导 ， 使 物体 表面温度 的分 布产 生差别 ， 利 用红 外热成 像仪 测量它的不 同热辐射 ， 可 以检 测出物体 的缺 陷位置【7 1。本文试 图通过对具有不同内部架空缺 陷和 不同 的边界 条件 下的 混凝土 挡墙 的传 热有限 元 数值 分 析 ， 找 出判别缺 陷位 置、 大小 、 深度等的规律 ， 为红外热成像技 术在挡墙检测 中的应用提供一定的理论依据 1挡墙模 型的确 定 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 1 7 作者 简介 ： 康 庄 ( 1 9 6 8 一 ) ， 男 ， 四川安 岳人 ， 研究生 ， 教授级高级 工程 师 ， 主要从事公路 、 市政及建筑工程 的施工管理 工作 。 取挡 墙厚度为3 0 c m， 取土体深度 为0 5 m， 且深度0 5 m处 的土体温度 为定值 。由此确定的挡墙模 型如 图1 所示。红外无 损检测通常都是在白天进行， 检测时间都比较短， 故在分析的 过程 中取8 一侣点的时间段进行分析 分析时长完全可以满足 工程检测的需要 。 太阳辐射 对 天空 的 长波辐射 与空 对流 1 1缺陷设置 在挡墙 内部设置不 同深 度 、大小 的矩形架 空缺 陷进 行分析 ， 见 图2 。图2 中b 为缺 陷厚度 、 d 为缺陷深度 、 h 为缺 陷高度。 此外 ， 不同朝向 、 不 同 日 期 和不 同的天 气情况 下 挡 墙 的太 阳辐射规律和强度各 不相同必然会引起挡墙表 面的温度分布和变化规律差 图1挡墙模型 图2挡墙缺陷示意图 6 重庆建筑 Ch o n g q i n g Ar c h i t e c tu r e 别较大 ， 为此 ， 选择重庆地 -2 0 1 1 年7 月9 日为计算 日， 用Ma t 1 a b 程序计算西向挡墙 的太阳辐射强度 ， 如图3 所示 。 、 E 一 世 鼎 臻 医 东向挡墙 图3重庆7 月9 E l 西 向太阳辐射 强度 1 _ 2逐时气温 、 天空 当量温度和风速 由牛顿 冷却 公式知 表面对流换热量 的大小 与表面 和空 气 的温 差和对流换 热系数的大小有关 。但是要获得 一天之内 每个时刻的温度值比较困难 ， 通 常气 象局只提供一天 的最高 、 最低和平均气温 ， 逐时气温可采用下式 进行模拟 ： T = T 一一仅 t T ( 1 ) 式中T a 为逐时气温 ； 仅 为模 比系数 ； T w 为气温 日振幅 。 气象局提供的7 月9 日的最 高气温 为3 8 o C， 最低气温2 6 ， 可计 算出两个计 算日的逐时气温 ， 进而计算出逐时天空当量温度 。 重庆地 区的天空 当量温度取为T a 一1 5 ， 逐时风速和对流 换热系数如 图4 所示 对流换热系数 ： ： _ _ _ _ _ - 厂 。 =：乙 ： ： ： r_ 囵 i 广 _ J一 1 _ 1 ： 时间 ( h ) 图4 7 月9日对 流 换 热 系 数和 风 速 2 AB A QU S 有 限元软件瞬态分析 2 1建 立A B A QU S 软件分析模型 本 文 采用AB A QU S 软 件进 行缺 陷挡墙 模 型 的热传 导分 析 首先建立的是二维无缺陷平面模 型 ， 之后再在其 中添加 各 种缺陷特征 ， 可得到带不同缺陷大小的二维平面挡墙模型 。 2 2设置模型材料属性 在分析过程 中假设混凝土挡墙 为干燥状态。此外 ， 导热系 数和 导温 系数 的大小还 与温 度有关 ，一般假设为温度的线性 函数 ， 因为挡墙的无损检测都是在常温下进行 ， 在这个温度范 围内变化 不大 ， 所以在分析 中取 为常数 。总的来说 ， 有关混凝 土的热工参数的取值如表 1 所示。 表1混凝土热工参数 分析 中假设缺 陷部 位为空气 ，空气的热参数也与温度和 湿度 有关。在0 4 0 的范 围内 ，空气 的导热 系数 为0 0 2 4 4 0 0 2 7 6 。 导温系数1 8 8 x 1 0 2 4 3 x l 0 - 6 ， 在实验分析 中可取定 值 ， 但 是当湿度发生变化 时 ， 空气的热参 数将发生 很大变化 。 当为饱和水蒸气 时 。 导温 系数在2 O 时为6 0 2 x 1 0 比干燥状 态下大 了一个数量级。为简化计算 ，假设空气为2 O 干燥状 态 ， 相应的热工参数如 表2 所示 。 表2 空气 的 热 工 参数 墙后 土体 的热 工参数的影响因素非常复杂 主要有 土壤 的种 类、 密实程度 、 密度 、 含水 率等。这里假定土体为2 O o C 下含 水 率为1 5 干燥状态下的沙土 ， 其热工参数如表3 所示。 表3 土体的热工参数 2 3初始条件和分析步的设置 混凝 土挡 墙热传导模型属非稳态导热 ，需给定模 型的初 始条件 这里设置为给定挡墙 表面在8 点的温度和土体内部边 界的温度 ，经过一个稳态分析步得到 的温度场作 为之后 的非 稳态分析的初始温度场 。对 非稳 态传 热 ， 选择从 早 Y _ 8 点到下 午1 8 点的时间段进行分析 。因为对流换热系数在1 h 内看 作常 数 ， 所以分析中共设置 1 0 4 分析 步， 每个分析步时长3 6 0 0 s 。 场 变量选择输出每个时间步的温度和热 流密度 ，历史变量选择 挡墙表面 的节点温度。 2 4模型边界条件设置 在AB A QU S 软件 中，把对流换热和辐射边 界条件看 作分 析对象和外界的接触 ，在I n t e r a c t i o n 模块 中通过S u r f a c e剐m 【 S 山) 罩 区懵一 N u J ， M一 妊 最 据靛 2 0 1 3 N O 3第1 2 卷 总第1 1 3 期 缺 陷混凝土挡墙热传导数值分析 岩土工程7 C o n d i t i o n 和S u r f a c e R a d ia t i o n 功能进行模拟 在 S u r f a c e m C o n d it i o n中将 F il m C o e f f ic i e n t 设 置 为 对 流换 热 系数 S i n k T e mp e r a t u r e 设置 为环 境温 度 ：在 S u r f a c e= , a d i a t i o n 中将 E 。 mi s s iv i t y 设置为混凝土黑度0 9 A mb ie n t t e mp e r a t u r e 设置为 天空 当量温度 曲线 环境 温度和天空 当量温度都 通过幅值 曲 线来模拟对 时间的变化 。 热流密度和温度边界条件在AB A QU S的L o a d 模块中输 入 。对 太阳辐射强度转化为热流密度 之后 ， 还需乘 以混凝土挡 墙 的吸收率0 7 3 ，在L o a d 模块 的L o a d Ma n a g e r 选项下通过幅 值 曲线 模 拟 输入 。温 度 边 界 条 件 在 L o a d 模 块 的B o u n d a r y C o n d it io n s Ma n a g e r 选项中输入。 A B A QU S 默认 的边界条件为 绝热边界 ， 所 以不需要输入模型的上下边界 。 2 5网格划分、 作业提交及后处理 AB AQU S 提供 了多种 网格 划分方法和单 元类型 ，针对带 矩形 缺陷 的挡墙模 型 采用 四边形 单 元的结 构化 网格 划分 方 法。网格划分之后 ， 可在J o b 模块 中创建和提交分析作业。 3分 析数 据处理和规律 总结 为了研 究不同季 节对红 外无损 检测 的影响 选 择4 月和7 月分别代表春季和夏季对挡墙模型进行传热分析。同时 ， 由于 不同的挡墙朝向， 对检测时间的选择影响较大， 分别建立西向 挡墙和南向挡墙 的传热模 型进 行分析 ，并分别研 究不同缺陷 深度 、 大小对挡墙表面温度场 的影响 。 3 1不同缺陷深度挡墙表面温度变化规律 以重庆地区7 月9 E l 晴天的太阳辐射和气 象数 据 ，对不 同 矩形缺陷深度的西 向挡墙 进行 分析 可 以输 出不同模 型的温 度场云图 ， 如图5 为缺陷深度为 1 c m的挡墙云图。 缺 陷 图5缺 陷深度为1 c m的挡 墙云图 选择缺陷区域对应 的挡墙 表面温度最高 的点代表缺陷区 域 ， 选 择离缺陷最远的挡墙表面 的最 高点代表非缺陷表面 ， 分 析两者 的温度随时间的变化关系 ， 如图6 所示。 躬 鬲 汐 由图6 可知 缺陷对应的挡墙表面温度从早上8 点到 下午 1 7 点 1 8 分都在不断增加 这是 由于造成挡墙表面温度升 高的 主要外部条件是太阳辐射 。 而从 早上8 点到下午 1 7 点太 阳辐 射 都 在不断增加 ， 在 1 7 点之后开始下降 。同时 ， 由于挡墙热惰性 的影响 ， 导致缺陷表面温度在 1 7 点1 8 分左右达到最大值。从曲 线的走势可知 ， 从8 点到1 3 点 比较平坦 ， 温度变化不是很大 ， 因 为这段时间西向挡墙还没有受 到太阳的直射辐射 ，辐射 主要 来 自于散射辐射和反射辐射 ，量值较小且 比较稳定 。1 3 点之 后 ， 西 向挡墙 开始受 到太阳的直射辐射 ， 挡墙表面温度 急剧上 升 ， 曲线斜 率变大 ， 在1 7 A之后温度开始下降 。缺 陷深度 每增 加1 c m， 缺陷 表面温度都在不断下降 ， 且变化 的幅度越来越小 ， 最终趋于稳定 ， 随着缺 陷深度的增加 ， 缺陷区对应 的表面 温度 和非缺陷表面温度越来越接 近 ，不 同缺陷深度 下挡 墙表面的 温度分布曲线如 图7 所示。 T r u e d is t a n c e a lo n g h e i g h t 图7不同缺 陷深度下挡墙表面的温度分布 曲线 由图7 可 知 ， 缺 陷深度较 小时 ， 缺陷 部位对 应的表面 温度 急剧升高 ， 且对 非缺 陷区的温度影响较 小 ， 这对红 外无损检测 是非常 有利的 ； 随着深度 的增加 ， 缺 陷部位 表面的温度 减小 ， 曲线变得平坦 。 3 2不同缺 陷高度挡墙表面温度 变化规律 棚 州 埘 埘 删 棚 砌 棚 删 删 删 埘 棚 一 “拈n n 犯 8 缺陷混凝土挡墙热传导数值分析 重庆建筑 Ch o n g q i ng Ar c h i t e c t u r e 具 有相 同深度 、 不同高度的矩形缺陷 ， 同样采 用重庆7 月 9臼晴天 的辐射和气象数据进行分析 得到不 同缺陷J k 4 缺 陷区表面温度和非缺陷 表面温度 。 两者之差得到缺陷对应 表面和非缺陷表面的温差 ， 如 图8 所示。 图8挡墙表面温差随时间的变化关系 可 以看 出， 从8 点到1 0 点左右 。 缺 陷表面 的温度 比非缺陷 表面 的温度要低 ，这是 由于初始条件是 由稳态 分析得 到的 且 开始时刻 的挡墙 内表面温度高于外表面温度 经过稳态分 析之 后 ， 由于缺陷部位 的热阻较大 ， 导致缺 陷表面 的温度较 低 。当太 阳辐射 不断增加时 ， 缺陷部位与非缺陷部位 的温差 不断加大 ， 在 1 8 A达 到最大值。 3 3不同缺陷厚度对挡墙表面 温度 的影响 针对缺陷厚度对挡墙表面温度的影响 选择缺陷高度为 1 0 c m、 深度 为2 c m， 缺 陷厚度从 1 c m增 加到1 0 c m， 建 立不 同 缺陷厚度 的模型进行有限元分析 得 到不同缺陷大小的缺陷 区 表面温度和非缺陷 表面温度 两者之差得到缺陷对应 表面 和非缺陷表面的温差 ， 如 图9 所示。从图9 可以看 出， 当缺 陷厚 度较小 ( 6 c m) 时 ， 缺陷厚度对挡 墙表面的最大温差影响较 大 。但 随着缺陷厚度 的增加 挡 墙表面 的最大温差 趋于一 致 、一 IIl l 明 时 间( h ) 图9不同缺 陷厚度下挡墙表面温差 4结语 本文通过建立 固定朝 向、 日期 的情 况下的挡 墙模 型 ， 采 用A B AQ US 软件进行有限元数值分析 。 得到了不 同缺陷设置 情况下表面温度变化规律 ( 1 ) 对于不同缺陷深度下的混凝土挡墙 ， 当缺陷深度较 小时 ， 缺 陷部位对 应的表面温度急剧升 高 ， 但对非缺 陷区的 温度影响较 小 ， 随着深度的增加 ， 缺 陷部位 表面 的温度减 小 曲线变得平坦 。缺 陷处表面温 差随着缺 陷深度的增加 而减 小。 ( 2 ) 对于 不 同缺 陷高度 的混凝 土挡墙 ， 开始 阶段 ， 挡墙 内、 外表面温度差较小 ， 经过稳态分析之 后 ， 因缺陷部位 的热 阻较大 ， 缺陷表面 的温差也较低 。当太阳辐射不断增加时 ， 缺 陷部位 与非缺陷部位的温差不断加大 。 ( 3 ) 对于不同缺陷厚度的混凝土挡墙， 当缺陷厚度较小 时 ， 缺陷厚度对挡 墙表面的最大温差 影响较大 ， 随 着缺陷厚 度的增加 ， 影响逐渐减弱。 参考文献 ： 【 1 】 王杨洋 ， 方修睦 ， 李延平 用红外热像仪测量建 筑物表 面温度 的实验研究， 暖通空调 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 2 ) ： 8 5 8 8 【 2 1 周书铨 红外辐射测量基 础【 M1 上海： 上海交通大学出 版社 1 9 9 1 ： 7 1 O 【 3 】 郭 东 混 凝土挡土 墙常见外观 质量缺陷及对 策 J 】 山 西建 筑， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 2 9 ) ： 2 4 6 2 4 7 【 4 】 李为栓 混凝土无损检测技术【 M】 上海 ： 同济大学出版 社 ， 1 9 8 9： 1 1 2， 31 3 - 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