大體積溷凝土澆注水化熱溫度場分析

結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用與開發(fā) 第 1 頁 共 11 頁 大體積混凝土 澆注 水化熱 溫度場 分析 摘 要 ： 通過對橋梁承臺大體積混凝土水化熱的分析 ，研究了溫度場在承臺內(nèi)部分布和 梯度 變化規(guī)律。 關(guān)鍵詞： 大體積混凝土 水化熱 溫度梯度 0 引言 由于社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，大體積混凝土的運用越來越廣泛。主要用于高層建筑的基礎(chǔ)，橋梁承臺，水工結(jié)構(gòu)大壩，大型設(shè)備的基礎(chǔ)等地方。水泥產(chǎn)生大量水化熱，同時混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較低，故熱量不容易散發(fā)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部快速升溫后緩慢降溫，形成較大的溫度梯度，容易產(chǎn)生裂縫。本文通過對大體積混凝土有關(guān)分析理論闡述，并結(jié)合實際工程進(jìn)行仿真分 析。 1 基本原理與方程 水泥的水化熱也以稱為硬化熱比較確切，因其中包括水化、水解和結(jié)晶等一系列作用。 混凝土的水化熱是凝膠材料在水化過程中發(fā)出的熱量，其過程與絕熱溫升過程具有一致性。 meQQ 10 式中， Q 為在齡期 時的累計水化熱；0Q為 趨于無窮大時的最終水化熱； m 為水化常數(shù)，隨水泥品種、比表面積及澆注溫度不同而不同。 由于水化熱作用，在絕熱條件下混凝土的溫度上升速度為： cWqcQ 2 算例 2.1 工程概況 本工程為某市西江特大橋 3#橋墩加固設(shè)計。橋梁全長 665.53m ，橋?qū)?6.0m ，橋型采用單塔斜拉和梁式相結(jié)合。其中， 3#橋墩在 2005 年 6月洪峰期間遭遇船只多次撞擊，導(dǎo)致北岸 3#墩兩根柱樁出現(xiàn)多處貫穿墩身的水平裂縫。則 需要對其進(jìn)行加固，主要內(nèi)容為：在與 4#墩同標(biāo)高加一承臺（長 寬 高= mmm 256.13 ），混凝土體積為 136 3m ；承臺下圍繞 3#墩 A 柱（上游）和 B柱（下游）周圍各補(bǔ)四個直徑為 800mm 的鉆孔灌注樁，如圖所示?；炷翉?qiáng)度等級為 C30，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為 1.43Mpa。本文主要對加固承臺澆注混凝土產(chǎn)生的水化熱溫度和應(yīng) 力進(jìn)行分析。通過某橋梁的加固承臺來研究大體積混凝土水化熱的機(jī)理，為結(jié)構(gòu)加固設(shè)計和施工提供參考。 結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用與開發(fā) 第 2 頁 共 11 頁 圖 1 3#墩加固后的立剖面圖 2.2 有限元計算 利用 大型 通用 有限元 分析軟件 ANSYS 進(jìn)行承臺混凝土溫度場瞬態(tài)分析。承臺為對稱結(jié)構(gòu)，取一半進(jìn)行建模，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡化。模型尺寸為mmm 28.65 。共 560 個單元， 825 個節(jié)點。承臺厚度為 2m，分兩層澆注，每次澆注認(rèn)為是一次完成。模型如下： 圖 2 有限元模型圖 2.3 圖形 結(jié)果 結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用與開發(fā) 第 3 頁 共 11 頁 圖 3 第一層第一天節(jié)點溫度梯度 圖 4 第一層第二天 節(jié)點 溫度梯度 圖 5 第 三 天 節(jié)點 溫度梯度 結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用與開發(fā) 第 4 頁 共 11 頁 圖 6 第 四 天 節(jié)點 溫度梯度 3 結(jié)語 仿真分析最主要的難點就在于存儲量計算量大、運算速度慢。 在實際復(fù)雜因素如水泥的品種及用量、澆筑質(zhì)量等影響下，設(shè)計參數(shù)也會發(fā)生較大改變，而且在許多情況下這種改變是無法預(yù)知的。 同 時對于溫度應(yīng)力的分布和發(fā)展 仍需要僅一步研究。 參考文獻(xiàn) 1 王鐵夢 .工程結(jié)構(gòu)裂縫控制 M.北京：中國建筑工業(yè)出版社， 1997： 145 155 2 朱伯芳 .大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制 M.北京： 中國電力出版社 ， 1999 3 郝文化 .ANSYS土木工程應(yīng)用實例 M.北京：中國水利水電出版社， 2005 4 李 黎明 .ANSYS有限元分析實用教程 M.北京：清華大學(xué)出版社， 2005 結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用與開發(fā) 第 5 頁 共 11 頁 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 !過濾菜單，選熱分析 /PREP7 ET,1,SOLID70 !選擇單元類型 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,1,300.89 !輸入導(dǎo)熱系數(shù) MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,C,1,0.94500 !輸入比熱 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,2400 !輸入混凝土密度 BLOCK,6.8,2,5, !建立幾何模型 FLST,5,4,4,ORDE,4 !選擇 Y 向四根線 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 !網(wǎng)格數(shù)目設(shè)定 FLST,5,4,4,ORDE,4 !選擇 X 向四根線 FITEM,5,2 FITEM,5,4 FITEM,5,-5 FITEM,5,7 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X CM,_Y1,LINE 結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用與開發(fā) 第 6 頁 共 11 頁 CMSEL,_Y LESIZE,_Y1, , ,14, , , , ,1 !網(wǎng)格數(shù)目設(shè)定 FLST,5,4,4,ORDE,2 !選擇 Z 向四根線 FITEM,5,9 FITEM,5,-12 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X CM,_Y1,LINE CMSEL,_Y LESIZE,_Y1, , ,10, , , , ,1 !網(wǎng)格數(shù)目設(shè)定 CM,_Y,VOLU VSEL, , , , 1 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,VOLU CMSEL,S,_Y VSWEEP,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !單元劃分 NUMMRG,ALL, , , ,LOW !模型編號合并 NUMCMP,ALL !模型編號壓縮 /SOL NROPT,FULL, , EQSLV, , ,0, PRECISION,0 MSAVE,0 PIVCHECK,1 TOFFST,0, !求解選項設(shè)置 ESEL,S,MAT,1 NSLE,S !選擇所有單元和節(jié)點 ekill,all !殺死所有單元 FLST,2,825,1,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-825 IC,P51X,TEMP,35, !施加初始溫度 NSEL,S,LOC,Y,0,1 ESLN,S,1 !選擇第一層單元 ealive,all !激活第一層單元 結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用與開發(fā) 第 7 頁 共 11 頁 NSEL,S,LOC,X,0 !選擇節(jié)點 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 !施加對流邊界條件 NSEL,S,LOC,Z,0 !選擇節(jié)點 /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 !施加對流邊界條件 NSEL,S,LOC,Z,5 !選擇節(jié)點 /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 !施加對流邊界條件 結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用與開發(fā) 第 8 頁 共 11 頁 NSEL,S,LOC,Y,0 FLST,2,165,1,ORDE,2 FITEM,2,118 FITEM,2,-282 SF,P51X,CONV,2016,25 !施加對流邊界條件 ALLSEL,ALL NSEL,S,LOC,Y,1 FLST,2,165,1,ORDE,140 SF,P51X,CONV,2016,25 !施加對流邊界條件 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 !施加絕熱邊界條件 ALLSEL,ALL EPLOT /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST ESEL,S,LIVE !重新選擇第一層 FLST,2,280,2,ORDE,280 BFE,P51X,HGEN,_Z4,25714.2857, , , !施加第一天水化熱 /SOL ANTYPE,4 TRNOPT,FULL LUMPM,0 DELTIM,1,0,0 AUTOTS,0 KBC,0 TIME,1 !分析選項設(shè)置 結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用與開發(fā) 第 9 頁 共 11 頁 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 !查看溫度梯度 ALLSEL,ALL EPLOT ESEL,S,LIVE !重新選擇第一層 /SOL FLST,2,280,2,ORDE,280 BFE,P51X,HGEN,_Z4,7744.8338, , , !施加第二天水化熱 TIME,2 ALLSEL,ALL /STATUS,SOLU SOLVE !第二天水化熱求解 ALLSEL,ALL ESEL,S,LIVE !重新選擇第一層 /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 結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用與開發(fā) 第 10 頁 共 11 頁 SFDELE,P51X,CONV !刪除第一層對流邊界條件 /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 !選擇第二層為當(dāng)前有效單元 ealive,all !激活第二層 ALLSEL,ALL !選擇整個模型 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 !施加對流邊界條件 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 結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用與開發(fā) 第 11 頁 共 11 頁 FITEM,2,-398 FITEM,2,439 FITEM,2,-474 SF,P51X,HFLUX,0 !施加絕熱邊界條件 ALLSEL,ALL NSEL,S,LOC,Y,0,1 ESLN,S !選擇第一層 FLST,2,420,2,ORDE,280 BFE,P51X,HGEN,_Z4,3734.044, , , !施加第一層第三天水化熱 ALLSEL,ALL NSEL,S,LOC,Y,1,2 ESLN,S /SOLU FLST,2,420,2,ORDE,280 BFE,P51X,HGEN,_Z4,25714.2857, , , !施加第二層第一天水化熱 ALLSEL,ALL TIME,3 /STATUS,SOLU SOLVE !求解 NSEL,S,LOC,Y,0,1 ESLN,S !選擇