ANSYS计算大体积混凝土温度场的关键技术.doc

ANSYS计算大体积混凝土温度场的关键技术王新刚1高洪生2 闻宝联3(中交天津港湾工程研究院有限公司结构所,中国天津,300222;中交一航局五公司,河北秦皇岛,066002;天津市市政工程研究院,天津,300074摘要:为了能够用ANSYS较为准确地计算大体积混凝土温度场,本文结合工程实例,对单元选择、网格划分以及各时变参数的技术处理进行了分析和探索。计算结果表明,温度场的计算值与实测值比较接近,在变化趋势上也基本一致,同时也验证了本文所提出方法的可行性。关键词:大体积混凝土;水化热;温度场;ANSYSkey technologies calculate the mass concrete temperature field with ANSYSW ANG Xin-gang1GAO Hong-sheng2WEN Bao-lian2(Tianjin Port Engineering Institute, Ltd. of CCCC-First Harbor Eng. Co., Ltd., Tianjin 300222; 2. No.5 Engineering Company Ltd. Of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd., Qinhuangdao 066002;Tianjin Municipal administration Research institute, Tianjin 300074Abstract: In order to calculate the mass concrete temperature field accurately with ANSYS, the analysis and the exploration has carried on to the unit select, the grid division as well as each time variable elements technical processing in this article unifies the project example. The computed result indicated that the temperature field predicted value and the actual value are quite close, the change tendency is also quite consistent, it also confirmed that the method feasibility which proposed in this article at the same time.Keywords:Mass concrete; hydration heat; Temperature field; A NSYS0引言1大体积混凝土广泛应用于船坞、船闸、大坝等工程中。大体积混凝土由于体积厚大,导热系数较低,容易生产温度裂缝。因此在设计、施工以及监理阶段需要详细验算水化热引起的温度应力。但由于水泥水化过程中,系统的温度、生热率、热流率、热边界条件等参数随时间都有明显变化。利用大型通用有限元程序ANSYS对大体积混凝土施工过程进行仿真分析可以同时考虑各参数的随时间变化,并利用强大的后处理功能形象地给出温度场分布情况。但在分析过程中单元的选择、网格划分以及环境温度、水化热生热率、表面放热系数等时变参数如何在程序中实现是仿真分析的关键技术,直接影响到温度场计算的准确性。1.单元选择及网格划分ANSYS的实体单元SOLID701有8个节点,且每个节点上只有一个温度自由度,具有三作者简介:王新刚(1973-,男,河北玉田人,硕士,中交天津港湾研究院工程有限公司结构所工程师。研究方向:桥梁施工控制、大体积混凝土温度应力计算及裂缝处理。通讯地址:天津市河西区大沽南路1002号邮编:300222E-mai l:联系电话:135*个方向的热传导能力,并能实现匀速热流的传递。该单元可以用于三维静态或瞬态的热分析,同时此单元也可以进行结构分析。用ANSYS计算大体积混凝土温度场的目的是以此为基础来计算温度应力。因此计算大体积混凝土三维温度场时可选取三维实体热单元SOLID70,该单元可以在前处理器通过“ETCHG,TTS”命令进行单元转换,原来的热单元SOLID70将自动转换为结构单元SOLID45,以方便接下来的温度应力计算。划分网格是建立有限元模型的一个重要环节,网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲,网格数量增加,计算精度会有所提高,但同时计算规模也会增加,所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。 图1 计算精度和计算时间随网格数量变化图图1中的曲线1表示计算精度随网格数量变化情况;曲线2表示计算时间度随网格数量变化情况。从图中可以看出网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高,而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后,再继续增加网格时计算精度提高甚微,而计算时间却有大幅度增加。所以应注意增加网格的经济性。实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果,如果两次计算结果相差较大,可以继续增加网格,相反则停止增加。计算大体积混凝土温度场时,在计算机硬件允许的条件下应取尽可能多的网格数量。2. ANSYS 计算大体积混凝土温度场各参数的技术处理 2.1. 环境温度气温资料可以从附近的气象站或水文站取得。在ANSYS 中环境温度变化可采用正弦或余弦表达式来模拟:(-+=012cos a ama A T T (2-1 式中:a T 气温;am T 日平均气温,可取日最高气温与最低气温的平均值;a A 气温日变幅,取最高气温与最低气温差值的一半;时间,h ;0气温最高的时间,h 。2.2. 水泥水化热的施加水泥水化热是影响混凝土温度场的关键因素,推荐采用朱伯芳院士的复合指数式2,其表达式为:1(0bateQ t Q -= (2-2式中:Q(t混凝土水化热; 0Q 最终水化热;a 、b 系数。0Q 和系数a 、b 应根据现场施工混凝土配合比通过试验来确定,也可根据现场实测数据反推得到。粗略计算时可按表1取值计算。水泥水化热常数 表1 在ANSYS 中 ,不能简单地将计算出来的水化热值作为边界条件来施加,ANSYS 的水化热是通过生热率HGEN 来施加的。生热率就是单位时间内混凝土的生热量,即所产生的热量对时间的导数,其表达式为:dtt dQ W HGENc(= (2-3式中:HGEN 混凝土水化生热速率,W/m 3; W C 单位体积混凝土水泥用量,kg/m 3;由式2-2、2-3可得: batb c c eatQ W t Q W HGEN -=10(2-4其APDL 语言实现如下: TIME,J !载荷步终止时间 ESEL,S,MAT,2 !选择单元 FLST,2,9000,2,ORDE,2 FITEM,2,17501 FITEM,2,-26500*SET,HEAT,Wc*Q0*a*J*(b-1*EXP(-a*J*b!计算水化热BFE,P51X,HGEN,_Z4, HEAT, , ,!施加水化热 2.3. 边界条件在大体积混凝土结构中,广泛采用的是第三类边界条件3,即假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度T 和混凝土周围介质温度a T 之差成正比,即:(a nT T T -=-(2-5式中固体表面的放热系数,也称对流系数,C m W 02/。其值与风速有密切的关系,而且混凝土表面的粗糙程度对其影响特别大,如果混凝土表面有保温层,则表面放热系数主要取决于各保温层的厚度和导热系数,可按下式计算:+=qii 11(2-5 式中,i 模板及各种保温材料的厚度(m;i 模板及各种保温材料的导热系数(C m W O /;q 固体在空气中的放热系数,可取23(C m W 02/。 其APDL 语言实现如下: *SET,Ta,Tam+Aa*cos(3.14/12*(J-t0!计算环境温度*SET,Beta,1/(D1/L1+D2/L2+Bq!计算放热系数 FITEM,2,316 FITEM,2,20197 !选择表面节点SF,P51X,CONV, Beta, Ta !施加放热系数 2.4. 其他参数 浇筑温度浇筑温度的模拟是将新浇混凝土的初始温度设置为浇筑温度,然后在水化放热和热边界条件的作用下,其温度场开始发展变化。 导热系数 混凝土的导热系数是反映热量在混凝土内传导难易程度的一个系数。普通混凝土的导热系数一般在8.3912.56kJ/(m h 之间,具体值可由混凝土的各组成成分的重量百分比按加权平均方法计算得出 比热 单位质量的混凝土,温度升高1时所需吸收的热量称比热,普通混凝土的比热一般在0.841.05kJ/(kg 之间。密度混凝土密度是指单位体积混凝土的质量,普通混凝土的密度大约在23002450kg/m 3,具体值可由混凝土配合比计算得出。另外,有关地基的一些热学参数,如导热系数、比热、密度等可由该工程地基勘察报告中获得。 3. 施工阶段的模拟在ANSYS 中要实现按大体积混凝土施工阶段计算温度场,就要用到ANSYS 的“单元生死”技术。所谓单元的“杀死”,ANSYS 程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除,而是将其刚度矩阵乘以一个很小的因子,因子缺省值为1.0E-6。死单元的单元载荷将为0,从而不对载荷向量生效。与上面的过程相似,如果单元的“生”,并不是将其加到模型中,而是重新激活它们。在计算大体积混凝土温度场时,首先在PREP7 中生成所有单元,然后全部杀死,再根据施工进度在合适的时刻逐块激活相应的块体或单元并施加边界条件,同时以循环过程来实现顺序浇筑过程的仿真,相应的APDL语言如下: *DO,J,1,nESEL,S,MAT,2 !选择全部混凝土单元EKILL,ALL !杀死全部所选取的单元 ESEL,S, !根据施工进度选择单元 EALIVE,ALL !激活所选取的单元SOLVE *ENDDO4. 工程应用实例 4.1工程概况 山海关船舶重工有限责任公司造船坞、舾装码头工程由中交一航局五公司承建。船坞主体中的水泵房由泵房主体、集水池及沉砂槽等组成,采用天然岩基上的钢筋砼箱形结构,平面尺寸24.019.75m ,由上至下分别为:面层、电机层、水泵层、流道层。泵房南北外墙厚 1.6m ,东墙厚 1.5m ,西墙厚1.15m ,底板厚2.0m 。集水池和沉砂槽伸入船坞9.0m 。泵房砼总方量4704m 3,砼强度等级为C30。水泵房C30混凝土配合比见表2。水泵房C30混凝土配合比(kg 表2 每层施工完成后停工20天,拆模后覆盖一层塑料薄膜和两层4mm 厚土工布进行养护。 图2 水泵房分层施工示意图4.2 建立模型及确定计算参数按水泵房的实际尺寸建立ANSYS有限元模型,采用自由网格划分方法,单元边长取0.1m。根据山海关地区气候资料确定Ta。由表1和表2,Q取330J/g,a取0.69。式2-4中Wc=202+34.3+0.3*(62.4+53=270.92kg。则有:TIME,J !载荷步终止时间Ta=18+8*COS(0.262*(J-14HGEN=61688.5*J*(-0.44*EXP(-0.69*J*0.56 =9.9kJ/(mh其他计算参数取值如表3所列。其他计算参数取值表3 综合以上各节分析,并要据施工进度形成APDL文件,计算水泵房混凝土温度场,每个施工阶段混凝土浇筑后的前3天每半小时计算温度场一次,47天每小时计算一次,以每天计算一次。图3 水泵房一层第48小时温度场水泵房一层第48小时温度场如图3所示。一层中心某点温度计算和实测值随时间变化如图4所示。温度计算值与实测值最大误差为6.6%,最小误差为-2.1%。图4 水泵房一层中心某点温度水泵房底板上表面某点温度计算和实测值随时间变化如图5所示。图5 水泵房一层上表面某点温度温度计算值与实测值最大