大体积溷凝土浇注水化热温度场分析

结构分析软件应用与开发 第 1 页 共 11 页 大体积混凝土 浇注 水化热 温度场 分析 摘 要 ： 通过对桥梁承台大体积混凝土水化热的分析 ，研究了温度场在承台内部分布和 梯度 变化规律。 关键词： 大体积混凝土 水化热 温度梯度 0 引言 由于社会和经济发展的需要，大体积混凝土的运用越来越广泛。主要用于高层建筑的基础，桥梁承台，水工结构大坝，大型设备的基础等地方。水泥产生大量水化热，同时混凝土导热系数较低，故热量不容易散发，结构内部快速升温后缓慢降温，形成较大的温度梯度，容易产生裂缝。本文通过对大体积混凝土有关分析理论阐述，并结合实际工程进行仿真分 析。 1 基本原理与方程 水泥的水化热也以称为硬化热比较确切，因其中包括水化、水解和结晶等一系列作用。 混凝土的水化热是凝胶材料在水化过程中发出的热量，其过程与绝热温升过程具有一致性。 meQQ 10 式中， Q 为在龄期 时的累计水化热；0Q为 趋于无穷大时的最终水化热； m 为水化常数，随水泥品种、比表面积及浇注温度不同而不同。 由于水化热作用，在绝热条件下混凝土的温度上升速度为： cWqcQ 2 算例 2.1 工程概况 本工程为某市西江特大桥 3#桥墩加固设计。桥梁全长 665.53m ，桥宽16.0m ，桥型采用单塔斜拉和梁式相结合。其中， 3#桥墩在 2005 年 6月洪峰期间遭遇船只多次撞击，导致北岸 3#墩两根柱桩出现多处贯穿墩身的水平裂缝。则 需要对其进行加固，主要内容为：在与 4#墩同标高加一承台（长 宽 高= mmm 256.13 ），混凝土体积为 136 3m ；承台下围绕 3#墩 A 柱（上游）和 B柱（下游）周围各补四个直径为 800mm 的钻孔灌注桩，如图所示。混凝土强度等级为 C30，抗拉强度设计值为 1.43Mpa。本文主要对加固承台浇注混凝土产生的水化热温度和应 力进行分析。通过某桥梁的加固承台来研究大体积混凝土水化热的机理，为结构加固设计和施工提供参考。 结构分析软件应用与开发 第 2 页 共 11 页 图 1 3#墩加固后的立剖面图 2.2 有限元计算 利用 大型 通用 有限元 分析软件 ANSYS 进行承台混凝土温度场瞬态分析。承台为对称结构，取一半进行建模，并对结构进行必要的简化。模型尺寸为mmm 28.65 。共 560 个单元， 825 个节点。承台厚度为 2m，分两层浇注，每次浇注认为是一次完成。模型如下： 图 2 有限元模型图 2.3 图形 结果 结构分析软件应用与开发 第 3 页 共 11 页 图 3 第一层第一天节点温度梯度 图 4 第一层第二天 节点 温度梯度 图 5 第 三 天 节点 温度梯度 结构分析软件应用与开发 第 4 页 共 11 页 图 6 第 四 天 节点 温度梯度 3 结语 仿真分析最主要的难点就在于存储量计算量大、运算速度慢。 在实际复杂因素如水泥的品种及用量、浇筑质量等影响下，设计参数也会发生较大改变，而且在许多情况下这种改变是无法预知的。 同 时对于温度应力的分布和发展 仍需要仅一步研究。 参考文献 1 王铁梦 .工程结构裂缝控制 M.北京：中国建筑工业出版社， 1997： 145 155 2 朱伯芳 .大体积混凝土温度应力与温度控制 M.北京： 中国电力出版社 ， 1999 3 郝文化 .ANSYS土木工程应用实例 M.北京：中国水利水电出版社， 2005 4 李 黎明 .ANSYS有限元分析实用教程 M.北京：清华大学出版社， 2005 结构分析软件应用与开发 第 5 页 共 11 页 附：命令流 /FILNAME,cast,0 !改工作文件名 /COM, /COM,Preferences for GUI filtering have been set to display: /COM, Thermal !过滤菜单，选热分析 /PREP7 ET,1,SOLID70 !选择单元类型 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,1,300.89 !输入导热系数 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,C,1,0.94500 !输入比热 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,2400 !输入混凝土密度 BLOCK,6.8,2,5, !建立几何模型 FLST,5,4,4,ORDE,4 !选择 Y 向四根线 FITEM,5,1 FITEM,5,3 FITEM,5,6 FITEM,5,8 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X CM,_Y1,LINE CMSEL,_Y LESIZE,_Y1, , ,4, , , , ,1 !网格数目设定 FLST,5,4,4,ORDE,4 !选择 X 向四根线 FITEM,5,2 FITEM,5,4 FITEM,5,-5 FITEM,5,7 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X CM,_Y1,LINE 结构分析软件应用与开发 第 6 页 共 11 页 CMSEL,_Y LESIZE,_Y1, , ,14, , , , ,1 !网格数目设定 FLST,5,4,4,ORDE,2 !选择 Z 向四根线 FITEM,5,9 FITEM,5,-12 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X CM,_Y1,LINE CMSEL,_Y LESIZE,_Y1, , ,10, , , , ,1 !网格数目设定 CM,_Y,VOLU VSEL, , , , 1 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,VOLU CMSEL,S,_Y VSWEEP,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !单元划分 NUMMRG,ALL, , , ,LOW !模型编号合并 NUMCMP,ALL !模型编号压缩 /SOL NROPT,FULL, , EQSLV, , ,0, PRECISION,0 MSAVE,0 PIVCHECK,1 TOFFST,0, !求解选项设置 ESEL,S,MAT,1 NSLE,S !选择所有单元和节点 ekill,all !杀死所有单元 FLST,2,825,1,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-825 IC,P51X,TEMP,35, !施加初始温度 NSEL,S,LOC,Y,0,1 ESLN,S,1 !选择第一层单元 ealive,all !激活第一层单元 结构分析软件应用与开发 第 7 页 共 11 页 NSEL,S,LOC,X,0 !选择节点 FLST,2,33,1,ORDE,10 FITEM,2,244 FITEM,2,-252 FITEM,2,267 FITEM,2,282 FITEM,2,340 FITEM,2,-341 FITEM,2,400 FITEM,2,-401 FITEM,2,403 FITEM,2,-420 SF,P51X,CONV,2016,25 !施加对流边界条件 NSEL,S,LOC,Z,0 !选择节点 /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST FLST,2,45,1,ORDE,8 FITEM,2,268 FITEM,2,-282 FITEM,2,296 FITEM,2,-321 FITEM,2,336 FITEM,2,-337 FITEM,2,340 FITEM,2,-341 SF,P51X,CONV,2016,25 !施加对流边界条件 NSEL,S,LOC,Z,5 !选择节点 /DIST,1,0.924021086472,1 /REP,FAST FLST,2,45,1,ORDE,32 FITEM,2,-381 FITEM,2,396 FITEM,2,-397 FITEM,2,400 FITEM,2,-401 SF,P51X,CONV,2016,25 !施加对流边界条件 结构分析软件应用与开发 第 8 页 共 11 页 NSEL,S,LOC,Y,0 FLST,2,165,1,ORDE,2 FITEM,2,118 FITEM,2,-282 SF,P51X,CONV,2016,25 !施加对流边界条件 ALLSEL,ALL NSEL,S,LOC,Y,1 FLST,2,165,1,ORDE,140 SF,P51X,CONV,2016,25 !施加对流边界条件 FLST,2,33,1,ORDE,10 FITEM,2,235 FITEM,2,-243 FITEM,2,253 FITEM,2,268 FITEM,2,336 FITEM,2,-337 FITEM,2,396 FITEM,2,-397 FITEM,2,448 FITEM,2,-465 SF,P51X,HFLUX,0 !施加绝热边界条件 ALLSEL,ALL EPLOT /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST ESEL,S,LIVE !重新选择第一层 FLST,2,280,2,ORDE,280 BFE,P51X,HGEN,_Z4,25714.2857, , , !施加第一天水化热 /SOL ANTYPE,4 TRNOPT,FULL LUMPM,0 DELTIM,1,0,0 AUTOTS,0 KBC,0 TIME,1 !分析选项设置 结构分析软件应用与开发 第 9 页 共 11 页 ALLSEL,ALL /STATUS,SOLU SOLVE !求解 SAVE /POST1 /EFACE,1 PLNSOL,TG,SUM,0, ESEL,S,LIVE /AUTO,1 /REP,FAST /AUTO,1 /REP,FAST /AUTO,1 /REP,FAST !查看温度梯度 ALLSEL,ALL EPLOT ESEL,S,LIVE !重新选择第一层 /SOL FLST,2,280,2,ORDE,280 BFE,P51X,HGEN,_Z4,7744.8338, , , !施加第二天水化热 TIME,2 ALLSEL,ALL /STATUS,SOLU SOLVE !第二天水化热求解 ALLSEL,ALL ESEL,S,LIVE !重新选择第一层 /SOL FLST,2,818,1,ORDE,10 FITEM,2,2 FITEM,2,-332 FITEM,2,335 FITEM,2,-338 FITEM,2,340 FITEM,2,-341 FITEM,2,343 FITEM,2,-436 FITEM,2,439 FITEM,2,-825 结构分析软件应用与开发 第 10 页 共 11 页 SFDELE,P51X,CONV !删除第一层对流边界条件 /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST /DIST,1,0.924021086472,1 /REP,FAST ALLSEL,ALL ESEL,U,LIVE !选择第二层为当前有效单元 ealive,all !激活第二层 ALLSEL,ALL !选择整个模型 NSEL,A,LOC,X,0 NSEL,A,LOC,Z,0 NSEL,A,LOC,Z,5 NSEL,A,LOC,Y,0 NSEL,A,LOC,Y,2 FLST,2,447,1,ORDE,4 FITEM,2,1 FITEM,2,-438 FITEM,2,466 FITEM,2,-474 SF,P51X,CONV,2016,25 !施加对流边界条件 NSEL,S,LOC,X,6.8 NPLOT /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST FLST,2,55,1,ORDE,10 FITEM,2,235 FITEM,2,-243 FITEM,2,253 FITEM,2,268 FITEM,2,335 FITEM,2,-338 FITEM,2,395 结构分析软件应用与开发 第 11 页 共 11 页 FITEM,2,-398 FITEM,2,439 FITEM,2,-474 SF,P51X,HFLUX,0 !施加绝热边界条件 ALLSEL,ALL NSEL,S,LOC,Y,0,1 ESLN,S !选择第一层 FLST,2,420,2,ORDE,280 BFE,P51X,HGEN,_Z4,3734.044, , , !施加第一层第三天水化热 ALLSEL,ALL NSEL,S,LOC,Y,1,2 ESLN,S /SOLU FLST,2,420,2,ORDE,280 BFE,P51X,HGEN,_Z4,25714.2857, , , !施加第二层第一天水化热 ALLSEL,ALL TIME,3 /STATUS,SOLU SOLVE !求解 NSEL,S,LOC,Y,0,1 ESLN,S !选择