大体积混凝土温度应力间接耦合分析

蒙　伟

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆　400074)



大体积混凝土温度应力间接耦合分析

蒙伟

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆400074)

摘要：结合ANSYS的有限元算法与理论计算原理，编写APDL程序语言，将ANSYS各个功能模块进行协调和整合，实现冷却水管的温度场和应力场在ANSYS中的模拟.本研究的方法和结论可为其他同类研究提供参考价值.

关键词：大体积混凝土；冷却水管；耦合分析；温度控制

0引言

目前，大体积混凝土施工成为建筑工程中大型建设项目的必经阶段，但由于水化热作用，导致大体积混凝土内部温度在施工期急剧上升，尤其在夏季施工，混凝土温度可达45 ℃以上，如果只依靠自然降温，大体积混凝土的内部温度远不能符合设计要求.因此，在大体积混凝土施工过程中，一般都采取人工降温措施，即通过铺设冷却水管对混凝土进行降温处理，使混凝土内部温度降低至设计要求的稳定温度，然后再进行接缝灌浆.许多学者对此施工工艺技术开展了大量的研究工作.例如，刘海成等[1]分析了温度对混凝土徐变的影响及温度损伤，建立了考虑温度影响的混凝土徐变应变计算的递推公式和弹性模量表达式；王一凡等[2]通过ANSYS的热—结构藕合分析方法，对某混凝土大坝的应力场和温度场进行了模拟计算和分析；李潘武等[3]通过数值分析方法，分析了大体积混凝土在浇筑温度变化时其温度应力对结构开裂的影响；魏尊祥等[4]利用ANSYS建立了承台大体积混凝土模型，并对施工期的温度场进行了分析.在此基础上，本研究分析了有限元软件ANSYS在混凝土冷却水管的建模问题，并通过温度、应力分析得到了混凝土在冷却水管降温作用下的温度、应力变化规律，对混凝土温控水冷技术做了有益的探讨.

1工程概况

作为研究对象的某大桥混凝土承台尺寸为，10.5 m×7.5 m×3 m，砼设计等级为C30.在承台中布设有两层冷却管：顶层离顶面1 m，底层离底面1 m，上、下层均距1 cm，水平间距1 m.冷却管采用直径为40 mm，壁厚2.5 mm的Q235钢管.冷却管平面布置示意图如图1所示.

图1承台及冷却水管布置平面图

2温度应力耦合分析

2.1模型有限元分析步骤

本模型有限元法求解问题的基本步骤[5-8]为：

1)建立分析对象的热模型并进行瞬态热分析，得到节点上的温度；

2)查看热结果并确定温度梯度的时间点；

3)删除所有热荷载、耦合序列和约束方程；

4)定义结构材料特性，包括热膨胀系数(ALPX)、弹性模量、泊松比等；

5)改变单元类型并设置单元分析选项，从热到结构(ETCHG命令)；

6)从热分析中读取温度体荷载(LDREAD命令)；

7)定义结构分析类型；

8)指定分析选项；

9)指定荷载步选项；

10)设置求解热膨胀时自由应变参考温度(TREF)；

11)储存模型并求解当前荷载步；

12)结果后处理.

2.2有限元模型

2.2.1计算参数.

在模拟分析中，根据现场实际施工工况，选取浇筑温度为20 ℃，环境温度为20 ℃，其他参数的取值参考实验指标见表1～4.

表1　承台及模板热学参数

表2　冷却水热学参数

表3　承台力学参数

表4　徐变拟合参数

弹性模量采用复合指数式(1)[9]模拟，

E(t)=E0(1-e-atb)

(1)

式中，t为龄期，d；E0为t→∞时的最终弹性模量(Pa)，取E0=32GPa；a、b为常数，取a=0.55、b=0.4.

模拟计算中混凝土的徐变采用式(2)[9]模拟，

C(t,τ)=(A1+A2/τα1)(1-e-k1(t-τ))+

(B1+B2/τα2)(1-e-k2(t-τ))+

De-k3τ(1-e-k3(t-τ))

(2)

在本模型中，用等效方法把徐变作用的变形特性放到弹性变形中，即按弹性问题方式求解，而徐变作用被等效后，则表现为降低大体积混凝土的弹性模量.模拟施工期浇筑混凝土的过程，一方面水化热产生大量热量，混凝土开始固化，弹性模量随时间增大而增大；另一方面，因为徐变作用导致弹性模量随着时间降低.综合两者之后，得到有效的弹性模量[9]，

(3)

生热率采用双曲线式[9]模拟，

(4)

2.2.2其他假设.

1)导热系数不随时间变化；

2)不考虑混凝土里面的钢筋；

3)模型各向同性，在施加的各节点生热量统一；

4)浇筑在瞬间完成，浇筑混凝土的施工过程时间不计算；

5)施工正常进度为浇筑第1层1 m混凝土后，5 d后再浇筑第2层混凝土；

6)计算时间为浇筑起30 d内的温度场及应力场，空气温度取的恒温20 ℃；

7)冷却水管在转折处用近似圆弧代替实际圆弧，不考虑在垂直冷取水管平面方向的长度.

2.2.3选用单元.

本研究温度应力耦合分析采用间接法，故在温度场计算和温度应力中需要选用不同的单元.

热分析中采用Solid70、Fluid116两种单元分别模拟混凝土和冷却水管.Solid70单元能够有效模拟混凝土浇筑过程；Fluid116是热管流单元，节点上可以设置相应的水流温度作为自由度，各个主节点之间可以相互传输能量和流体.水流流量和水流流速等设置可转换成负热源，纳入结点荷载之中.而热源将使用相关程序界定，如此即可模拟实体模型中水管的降温作用.

温度应力采用Solid45单元模拟混凝土，是8节点结构单元，每个节点3个自由度，可完全满足计算任务要求.两种单元类型的过渡，利用ANSYS的自动单元转换实现，命令流为：ETCHG,TTS.网格划分实体单元全部采用8节点6面体单元，以保证得到较精确的计算结果.有限元如图2所示.

图2承台有限元模型图

2.2.4边界条件.

由于四周钢模板的隔热效应可忽略不计，故四周边界条件为混凝土与水的对流，顶部边界条件为混凝土与空气的对流，承台底面由于有封底混凝土1 m厚，故在底侧采用绝热边界条件.温度—应力计算边界条件：顶面为自由面，四周及底面有模板和封底混凝土存在，故加垂直位移约束.

2.3有限元分析

计算过程中，为得到块体各部位相应的计算结果，在模型中布置了具有代表性的4个计算监控点，位置在模型中心从上至下4个节点，编号分别为1、2、3、4.这些特定节点的温度随时间变化如图3、4所示；温度分布图如图5、6所示；混凝土中心表面节点的第一主应力随时间变化如图7、8所示.图3、5、7为不设置冷却水管的结果图，图4、6、8为设置冷却水管结果图.

图3不设置水管时特定节点随施工期的温度变化图

图4设置水管时特定节点随施工期的温度变化图

图5不设置水管时1/4模型随施工期的温度变化图

分析可知：

1)图3、4显示，不采取降温措施时，混凝土中心最高温度在浇筑后第3 d出现，达到41 ℃；采取降温措施后，最高温度达到37 ℃.

图6设置水管时1/4模型随施工期的温度变化图

图7不设置水管时大体积混凝土中心表面节点随施工期的第一主应力变化图

图8设置水管时大体积混凝土中心表面节点随施工期的第一主应力变化图

2)图5、6显示，由于冷却水管的作用，致使温度最高点不在混凝土中心.

3)图4显示，在28 d时，混凝土温度基本接近冷却水管的水温.

4)由于四周和混凝土顶部分别与水和空气产生对流，故温度梯度在外围明显变大，故加强表面保温不失为防止开裂的有效措施.

5)图7、8显示，采取降温措施后，混凝土表面最大拉应力有所减小，且减小的速率较不采取降温措施快.

3总结与展望

近年来，施工工艺技术的改良及提升使混凝土浇筑规模逐渐增大，同时水管冷却技术应用也导致了一系列工程安全隐患和问题，为了满足不断发展的施工设计要求，需要加强和完善大体积混凝土的水冷降温技术研究，从而有效提升冷却水管的降温精度和冷却效率，为混凝土温度控制措施中的水冷温度控制提供理论支持，实现温度控制措施设计从过去的简单型向精细型转变的过渡.本研究在总结温度场及应力场计算理论的基础上，结合有限元软件ANSYS的APDL语言，利用热—结构耦合功能模拟各变量的热交换，并转化为应力场，综合温度和应力模拟数据，进行综合分析.

大体积混凝土冷却降温过程的模拟是一个复杂的三维热场问题，影响因素众多，在软件上全部反映出施工的各种情况存在困难.目前，对大体积混凝土水管冷却降温的研究还不完善，以下几点还需要进行进一步的探讨：

1)混凝土浇筑后的养护作用对混凝土表层影响以及环境和气温的变化.如果能在模拟中考虑，则更能准确地分析出混凝土的温度影响.

2)冷却水管在沿长度方向的水头损失、水管的空间结构布置及加密水管布置对混凝土内部温度的影响.

3)混凝土内钢筋对混凝土的作用，钢筋对混凝土在温度变化时有明显的约束作用.

参考文献：

[1]刘海成，宋玉普，吴智敏.考虑温度影响的大体积混凝土应力场分析方法[J].大连理工大学学报，2005,45(1):121-127.

[2]王一凡，宁兴东，陈尧隆，等.大体积混凝土温度应力有限元分析[J].水资源与水工程学报，2010，21(1):109-113.

[3]李潘武，曾宪哲，李博渊，等.浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响[J].长安大学学报，2011,31(5):68-71.

[4]魏尊祥，夏兴佳，李飞，等.桥梁承台大体积混凝土温度场监测与数值分析[J].公路交通科技，2014,31(4):82-86.

[5]何鹏.水电工程大体积混凝土温度裂缝控制及实例分析[M].北京:中国建筑工业出版社，2013.

[6]何本国.ANSYS土木工程应用实例[M].第3版.北京:中国水利水电出版社，2011.

[7]苏荣华，梁冰.工程结构分析:ANSYS应用[M].沈阳:东北大学出版社，2012.

[8]强晟，张杨.大体积混凝土施工期温度场和应力场的仿真算法研究[M].南京:河海大学出版社，2013.

[9]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].第2版.北京:中国水利水电出版社，2012.

Analysis of Temperature Stress of Massive Concrete by Indirect Coupling

MENGWei

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract:The APDL program language is written by combining the finite element algorithm and theory calculation principle with the ANSYS.The simulation of the temperature field and stress field of the cooling pipes in the ANSYS is done through the coordination and integration of each function module of ANSYS.The method and conclusions are of great reference value for other similar research.

Key words:massive concrete;cooling pipes;coupling analysis;temperature control

文章编号：1004-5422(2016)02-0187-04

收稿日期：2016-05-09.

作者简介：蒙伟(1990 — )， 男， 硕士研究生， 从事岩土与随道工程研究.

中图分类号：U445.57

文献标志码：A