钢渣地基的热应力场分析

纳娜

【摘 要】间接耦合分析是以设定的顺序求解单个物理场作用的模型。本文的计算属于热与结构的间接耦合，考虑温度分布的变化对结构中应力应变和位移等物理量的影响。

【关键词】温度场；热应力；模拟

【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

物体由于约束或各部分温度变化不均匀，热变形不能自由进行时，则在物体中产生应力。物体由于温度变化而引起的应力称为“热应力”或“温度应力”

间接耦合分析是以设定的顺序求解单个物理场作用的模型。各个物理场间的影响是单向的，前一个物理场的计算结果作为下一个物理场计算的条件。计算时不需要特殊的单元类型，效率要提高很多。

本文的计算属于热与结构的间接耦合，考虑温度分布的变化对结构中应力应变和位移等物理量的影响。考虑热到结构的耦合，即温度分布变化引起的位移变化，热到结构的作用是单向的。位移及应变的变化对于温度分布的影响可以忽略。

ANSYS中用于瞬态热分析的三维实体单元为Solid70，转化为用于热-应力分析的单元为Solid45，Solid45单元用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着x，y，z方向平移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。Solid45单元的更高阶单元是Solid95，单元由8个节点和各向同性的材料参数来定义。

1 计算的主要步骤

1）进入结构分析；

2）转换单元类型；

3）定义结构的材料属性（包括热膨胀系数ALPX，弹性模量EX等）；

4）将热分析中的节点温度（结果文件.RTH）读入到结构分析中作为体荷载；

5）施加边界条件并进行结构场计算；

6）进行结构分析后处理，得到各点应力应变、位移。

2 对钢渣地基位移场的模拟

钢渣地基的位移场分析是建立在温度场的基础上，把钢渣的不同年份的温度场作为体载荷加入到这些单元上，然后进行分析。

钢渣地基的热应力场分析是建立在其温度场基础之上的，利用ANSYS多物理场的耦合功能，把热分析的温度数据输入到结构分析中，并加入结构分析所需要的热膨胀系数、弹性模量等即可进行求解温度梯度应力，节点应力应变及位移。

3 模拟计算结果比较与分析

3.1 位移计算结果

自重情况下的位移量最大值是0.67m，在渣层最厚的地方，岩层因为不考虑温度的影响，位移变化量很小。已完成位移图情形的最大位移为0.55m，比自重情形增长十几厘米，测温时刻的钢渣地基因反应生热，有热量积聚而保持一定温度，温度增长是比自重引起的位移增大的主要原因。渣体表面施加60℃以及120℃热源的情形，位移变化在渣层较厚区域相差不大，而在岩层较厚的区域位移变化相差较大容易引起不均匀的变形。

zk38以前的各钻孔，除去zk11，zk21，zk35，其他各个钻孔的位移变化量都很小，在zk36之后各钻孔的区域，位移变化量是越来越大，渣层最薄的zk25达到了将近0.9m，也就是说在已完成位移基础上，将产生0.9m的位移。zk25处第2年位移变化在两种热源作用下分别0.08m和0.18m，第5年的位移变化分别为0.2m和0.48m，第10年的位移变化为0.33m和0.88m，这么大的位移足以破坏上部的建筑物。

3.2 应力计算结果

大部分区域受到压应力，热源影响第5年和第10年时刻在岩层区域出现拉应力，是由岩石受热膨胀所导致，且第10年的受拉区域大于第5年，因计算模型处于整个渣场中，四周被钢渣包围，不会出现滑坡等情况。

4 模拟结果分析

钢渣地基中岩层厚度对位移的影响比较大，杂土层的厚度大多在2m以内，相对于55m的模型来说，可以忽略其影响。

钢渣地基在60℃与120℃热源作用下，在渣层厚度均匀的区域，位移的变化也是基本相同，在渣层厚度变化较大的区域，钻孔之间的位移相差较大，在zk24、25、26、28区域的岩层较薄且厚度变化较大，岩层上表面呈斜坡状，计算所得的位移值相差达到了0.4米左右。在表面没有热源的区域，比如zk42距离热源较远，位移值在0米附近，基本等于没有变化。但是在渣层厚度基本相同的zk39区域，其距离热源近一些，位移值就有3厘米左右。距离热源距离越远，影响越小。zk36，zk37位移值就比zk41，zk42要大。距离热源较近区域的位移变化也应考虑，离热源距离的变化也会产生不均匀的位移变化对上部建筑非常不利产生裂纹甚至破坏。大体积钢渣地基Z向应力大部分区域受到压应力，在岩层升温幅度较大的区域由于膨胀而出现拉应力，热源影响时间越长，拉应力的区域越大。

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[责任编辑：汤静]