环境温湿度对大体积混凝土影响的数值模拟分析.pdf
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1、第2 8卷 第8期 2 0 1 1年 8月 长江科学 院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i f i c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo I 2 8 No 8 A u g 2 0 1 1 文章编号 : 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 3 5 0 6 环境温湿度对大体积混凝土影响的数值模拟分析 刘志勇 ( 徐州工程学院 土木工程学院, 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ) 摘要: 环境温湿度的变化及其在大体积混凝土结构中产生的影响不容忽视
2、, 对于温度场、 温度应力场、 湿度应力场, 尤其是整体结构应力场的分析 , 是工程中非常关注的问题。为此 , 选取理想的球形大体积混凝土结构, 仅考虑环境 温、 湿度的影响, 用 A N S Y S软件依次对该结构的温度场、 温度应力场及湿度应力场进行数值模拟, 然后将模拟得到 的温度应力场与湿度应力场叠加 , 得到整体应力场 , 并对模拟结果进行分析和总结。通过对应力场的数值模拟分 析, 可对大体积混凝土浇筑后裂缝的开展有一定的预见性, 对制订温控措施有一定的指导意义。 关键词: 环境温湿度; 大体积混凝土; 温度场; 温度应力场; 湿度应力场; 数值模拟 中图分类号 : T V 3 1
3、5 文献标 识码 : A 大体积混凝土裂缝主要是由应力和约束条件引 起的, 且应力是主动因素, 约束是被动因素, 而大体积 混凝土的应力又主要是由环境温湿度的变化引起的, 因此 , 要研究环境温湿度对大体积混凝土裂缝的影响 规律 , 只需研究环境温湿度对大体积混凝土应力的影 响规律 J 。为此, 本文只考虑主要 的影响因素 环境温湿度的变化 , 不考虑重力 、 分层浇筑和边界约 束的影响, 对理想的球形大体积混凝土仅在环境温湿 度的影响下产生的应力进行数值模拟与分析。 1 有限元建模及边界条件 4 以中心对称半径为3 6 in 的球形大体积混凝土 体为基础, 建立有限元分析模型。由于是球体,
4、所以 采用四面体单元, 进行自由网格划分, 共划分了 8 3 3 个节点和 3 8 5 5个单元 , 建立的有限元模型见 图 1 。 图 1 有限元分析模型 Fi g 1 FE M mo de l 在进行瞬态热分析时, 选取的热分析单元类型为 三维 S o l i d T 0单 元。 昆凝 土 的导 热系数 取 3 2 4 5 7 W ( ino C ) , 考虑到采用有限元方法计算不同龄期 温度场时, 龄期不是以 S 而是以 d为单位的, 所以A= 3 2 4 5 7 W ( i n o C)=3 2 4 5 7 J ( S1T I o C)= 2 8 0 4 3 k J (d 1 T I
5、o C) ; 密度 P取 2 4 0 0 k g i n ; 比 热 c 取0 9 7 6 k J ( k go C) ; 混凝 土与空气之间的对 流换热系数h取2 0 1 6 k J ( d m 2 ) 。 在进行结构的热应力分析时, 选取的结构分析单 元类型为三维 S o l i d 6 5单元。混凝土 的泊松 比 取 0 1 6 7 ; 混凝土热膨胀系数 O 取 0 7 51 0 。 。 o C; 混 凝土不同龄期的弹模 E由以下公式选取, E ( t )=2 9 21 0 m 1一e x p ( 一0 4 0 t ) 。 为方便研究环境温湿度对大体积混凝土温湿度 应力的影响规律 , 不
6、考虑分层浇筑对混凝土温湿度 应力的影响。参考温度取混凝土的浇筑温度 , 假设 为 2 5 3 q C , 即混凝土的膨胀与收缩都是以 2 5 3 为参考点 , 高于 2 5 3 o C膨 胀 , 低 于 2 5 3 收缩。 整个混凝土体的球面上均存在空气和混凝土的热对 流 , 属于热分析 中的第 3类边界条件, 对流边界条件 可以作为面荷载( 具体输人参数为对流换热系数和 环境温度) 施加于实体的表面, 来计算固体和流体 间的热交换。利用 A N S Y S软件提供的函数功能可 以简便地设定水泥的生热率函数为 t ):m Q 0 e =m m Q e 一 = 0 3 8 4 3 1 13 3
7、0 e - 0 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 8 2 3 基金项 目: 江苏省建设系统科技指导项 目( J S 2 0 0 8 Z D 0 6 ) 作者简介: 刘志勇( 1 9 7 7 一 ) , 男, 河南淮阳人, 讲师, 工程师, 博士研究生, 主要从事建筑材料与结构工程方面的研究, ( 电话) 1 3 7 7 6 7 8 6 7 1 6 ( 电子信箱) z h i y o n g l i u 2 0 0 0 1 6 3 c o rn。 3 6 长 江科 学院院报 式中: m为水化系数 ; Q 。为每 1T t 。混凝土 的最终水 化热 ( k J m ) ; m 为 每 m 混 凝
8、 土 中 的水 泥用 量 ( k g m ) , 此处为 3 1 1 k g m ; Q为每 k g水泥 的最终 水化热 ( k J k g ) , 普通 硅酸盐水 泥在 一 o o 时 , 最终 的水化热 Q一般取 3 3 0 k J k g 。 水化系数 m随混凝土的浇筑温度不 同而不同, 浇筑温度2 5 3时m取0 3 8 4 , 将生热率作为体荷 载施加于单元上 , 模拟水泥 的化学反应生热 。确定 总计算时间为 6 0 d , 每 1 d计算一次 , 子步长为 1 d , 其它选项按瞬态热分析进行选定 , 进行分析计算 。 2温度场的模拟 采用有限元分析软件 A N S Y S对环境
9、温度为 6, 2 l , 3 6的情况分别进行数值模拟 , 混凝土浇筑 温度均取 2 5 3。由于整 个混 凝 土体呈 中心对 称 , 且不考虑重力的影响, 所以同一时刻球面上任意 一 点的温湿度和温湿度应力都分别相等 , 因此 , 只选 择球心点和球面上任意一个节点进行分析。球心点 节点编号和坐标为 7 4 3 ( 0, 0 , 0 ) , 选取的球面点节点 编号和坐标为 1 ( 0 , 0 , 一 3 6 ) 。 不同温度环境下球心点温度及其温差历程 曲线 见图2 , 图中 Ti 表示环境温度为 i , Di 一 表示环 境温度 i 与环境温度 中心点温度差值。由图 2可 知 , 对于不同
10、的环境温度 , 前期中心点温度历程 曲线 都急剧 卜 升, 环境温度为 6 , 2 1 , 3 6 c C的混凝土体中 心点分别在第 6 , 7, 8天达到最高温度 , 最高温度分 别为 5 4 5, 5 5 9 , 5 7 9。环境 温度较 高 时, 昆凝 土体最高温度 出现 的时间较晚。定性来看 , 环境温 度越高 , 中心点最高温度也越高 , 不过 , 中心点最高 温度增加 的幅度远 小于相应环境温度增加的幅度 ; 定量来看 , 环境温度每提高1 5 , 球心点最高温度 70 60 5 O 4 0 魁 赠 3 0 2 0 l O 仅提高2左右, 提高的幅度仅为环境温度提高幅 度的1 3
11、3 , 为了从理论上解释 , 称这种现象为环境 温度对混凝土体内部温度影响的“ 弱化效应 ” 。图 2 中还表明, 8 d之后温度均开始下降 , 下降的速率都 逐渐减小 , 环境温度低的 比环境温度高的下降速率 快 , 最终有下降到各 自环境温度的趋势 。温差历程 曲线表明 , 从开始到最后 , 中心点温度差值是一直在 增加的, 最终有增加到环境温度差值的趋势 。这主 要是由于混凝土是热的不 良导体 , 外界环境温度影 响混凝土中心区域 比较慢 的缘故 , 这种现象称之为 环境温度对混凝土体 内部温度影响的“ 滞后效应” 。 图 3是 3 6 q C温度环境下第 8天过球心剖面上 的温度云图,
12、 从中可以看出, 由于球形混凝土体呈 中 心对称 , 所 以在距球心相同的距离处 , ? 昆凝土的温度 都是相等的, 中心温度较高 , 向外温度逐渐降低。 图 3 3 6 环境第 8天过球心剖面上温度云 图 Fi g 3 Te mpe r at ur e ne phog r a m o f e qua t o r i a l p l a n e u n d e r 3 6 i n t h e 8 t h d a y 图4给出不同温度环境下球心点和球面点 的温 度历程曲线 , 由于中心大量水化热的积聚, 混凝土又 是热的不 良导体 , 中心积聚的热量不易向外散失 , 外 界环境温度也不易影响到中
13、心点 , 所 以中心点温度 均急剧上升 , 分别在第 6 , 7, 8天达到最大值 , 再往后 温度开始下降 , 下 降的速率逐渐减小 , 环境 温度越 低 , 到第 6 0天时下降的幅度越大 。相 比之下 , 球面 点与周围空气接触 , 周围空气温度对球面点温度影 响比较大, 而混凝土浇筑温度均为 2 5 3, 若浇筑 温度 比周 围空气温度高很多 , 混凝土 自身的水化热 不足以克服混凝土的降温 , 其温度就很快降低 ; 若浇 筑温度与周围空气温度 比较接近, 混凝土由于 自身 的水化热而突然上升一点 , 而后其温度就缓慢降低 ; 若浇筑温度比周围空气温度低很多, 空气传热再加 上 昆 凝
14、土自身的水化热使其温度急剧上升, 而后其 第8期 刘志勇 环境温湿度对大体积混凝土影响的数值模拟分析 3 7 温度就缓慢降低。总的来说, 无论何种温度环境下, 球面点温度都很快趋近于环境温度 。 6 7 。 0 p 5 0 ; : 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 时间 d ( b )2 1 环境 5 0 45 4 0 3 5 p 3 0 25 赠 2 O 1 5 1 0 5 O 0 l U 20 30 4 0 U 6 0 时间, d 图5 混凝土体内外最大温差历程曲线 F i g 5 T i me - h i s t o r y c u r v e s o f m a x
15、i mu m t e mp e r a t u r e d i ffe r e n c e b e t we e n t h e i n t e r n a l a n d e x t e r n a l c o n c r e t e 进一步分析可知, 环境温度为3 6时, 内外最 大温差为 2 O 1 , 在此基础上要使内外温差再降 低 2 0 1 , 即降低到 0 o 【 = , 环境温度就要上升约 2 5, 即从 3 6增加到 6 1 o C。环境温度为 6 l 时通过 A N S Y S模拟 可知, 内外 温差确实 已经很小 了。但是环境温度又不 能无 限制地增加 , 为了降低 混凝
16、土的内外温差 , 与表面保 温对应的就是 内部降 温。内部降温主要包含两方面的含义: 降低浇筑温 度与预埋冷却水管降温。 3 温 度应 力场 的模拟 本模拟采用热应力耦合 的间接法 , 即先进行热 分析 , 求出不同龄期 的温度 , 然后将热分析求得的节 点温度作为体载荷施加在结构应力分析中, 进而求 出相邻龄期的温差 , 然后用对应时刻 的弹性模量求 出该相邻龄期弹性温度应力 的增量 , 最后将所计算 的应力值叠加后得到对应龄期 的弹性温度应力 , 从 而计算出应力结果 。 确定总计算时间为 6 0 d , 每 1 d计算一次 , 子步 长为 1 d , 其它选项按热应力分析的要求进行选定。
17、 由于球形混凝土体呈中心对称, 且不考虑分层浇筑 及重力的影响, 所以温度场和温度应力场都是中心 对称的。考虑到对大体积混凝土裂缝起控制作用的 主要是 s 1 ( 第一主应力 ) , 下面将主要对 s 1的分布 规律进行分析 。 图 6给出了不同温度环境下的球心点和球面点 S 1历程 曲线 , 由图 6可知 , 与球心距离大于某个数 值的混凝土是一直承受拉应力的, 且拉应力先增大 后减小 , 拉应力峰值 出现 的时间超前 于球心温度峰 值出现的时问 ; 与球心距离小于某个数值 的混凝 土 是一直承受压应力的, 且压应力先增大后减小 , 压应 力峰值出现的时间滞后于球心温度峰值出现的时 间。这和
18、一些实际大体积混凝土工程模拟结果 的区 别是: 前者与球心距离小于某个数值的混凝土是一 直 承受压应力 的; 而后者是 内部混凝土先承受压应 = 喜 _ m ( a ) 6 C环境 l 1 0 至。 的 一0 1 、 1 0 2 埘 时 间 d (b )2 1 C环境 一 月e L !二 二 1 0 2 0 3 1 5 0 , 时间 - ( c )3 6 环境 图6 不同温度环境下 历程曲线 F i g 6 T i me - his t o r y c u r v es o f his t o r y u n d e r d i ffe r e n t t e mp e r a t u r e
19、s 3 8 长江科学院院报 2 0 1 1生 力 , 后来又承受拉应力 。这 主要是 由于在混凝 土体 降温阶段 , 实际大体积混凝 土工程受到边界条件的 约束 , 在把压应力抵消完后就会产生拉应力。 图7和图 8给出了不同温度环境下球心点和球 面点的 |s 1 历程曲线。由图 7和图 8可知 , 对于同一 个节点, 环境温度越高, s 1 历程曲线越靠近横坐标 轴。这说明, 无论该节点受压还是受拉, 环境温度越 高, 其压应力或拉应力都越小。通过将不同温度环境 下球心点和球面点 s l的最大值分别进行 比较可知 , 环境温度从 3 6降到 2 1 q C 及从 2 1降到 6 o C, 球
20、心点压应力或球面点拉应力将分别增加 6 0 和4 0 左右。而混凝土抗压强度很高, 抗拉强度很低 , 所以, 环境温度越高 , 对大体积混凝土越有利。 0 5 0 。0 5 豸 一 1 0 -1 5 。2 0 图 7 球心点不 同温 度环境 下 S 1历程 曲线 Fi g 7 Ti m e - h i s t o r y c u r v e s o f a t t he c e n t r a l p o i n t u n d e r d i ffe r e n t t e m p e r a t u r e s 3 0 2 5 2 _ 0 1 5 0 5 O O - 0 5 图8 球面点不
21、同温度环境下 历程曲线 F i g 8 T i me - h i s t o ry c u r v e s o f a t th e s u r f a c e u n d e r d i ffe r e n t tem pe r a t u r e s 4湿度应力场的模拟 根据湿度应力场理论与温度应力场理论控制微 分方程系统中存在的相似性 J , 利用温度应力场 理论的有限元软件来分析湿度应力场问题。在具体 计算中, 设单位重量的含水率 W= 0表示绝对干燥 或相对湿度为O 状态, = 1 表示饱和含水或相对 湿度为 1 0 0 状态 。下面将对环境湿度为 0 3 , 0 6 及 0 9 的
22、情况分别进行数值模拟, 设混凝土刚浇筑 完毕时相对湿度为 1 。确定总计算时间为 6 0 d , 每 1 d 计算一次, 子步长为 1 d , 进行分析计算。 由于球形混凝土体呈中心对称, 且不考虑分层 浇筑及重力的影响, 故湿度场和湿度应力场都是 中 心对称的。考虑到内部 区域的湿度是 由内向外逐步 渗透的, 随时问的推移 , 混凝土湿度逐渐减小 , 且混 凝土体内部区域的湿度始终高于外界区域 。由湿度 场和湿度应力场可知, 混凝土体内部湿度场和湿度 应力场等值线的分布均呈球形分布。 图 9给出了不同湿度环境下 的球心点和球面点 的 s 1历程曲线 , 由图 9可知 , 无论环境湿度如何 ,
23、 球 心点一直受压 , 且压应力先增大后减小 ; 球面点一直 受拉 , 且拉应力先增大后减小。图中也表明 , 距球心 点越远 , 混凝土内部一定区域压应力越小, 边缘一定 区域拉应力越大。这与实际大体积混凝土工程数值 模拟结果的区别是 , 混凝土发生干缩时 , 后者受到边 界条件的约束 , 所以都产生拉应力 ; 而前者在发生干 缩时, 没有受到任何边界约束 , 外围区域 的拉应力只 有靠内部区域的压应力才能平衡掉, 也就是, 由于混 凝土产生 自约束的缘故 , 才会出现混凝土内部一定 区域是一直受压的。 。, 一 _, 一瑜 点 一 幔 面点 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 时
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