大体积混凝土温度场有限元分析.pdf
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1、第 3 2卷第 5期 2 0 1 0年 5 j 人民黄河 YELL OW RI VER Vo 】 3 2 N o 5 Ma y, 2 01 0 【 水利水 电工程 】 大体积混凝土温度场有限元分析 王 军玺 一 , 王 晖 ( 1 兰州交通 大学 土木工程学院 , 甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 ; 2 河海大 学 水利水 电工程 学院 , 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ; 3 新疆维 吾尔 自治区水利水 电建设工程造价管理总站, 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 0 0) 摘要: 基于瞬态温度有限元方法, 采用大型有限元商业软件 A N S Y S模拟大体积混凝土锚碇薄层浇筑动态施工
2、期及运 行期的温度场, 对比 日照影响、 不同气温、 不同浇筑温度、 不同浇筑间歇期、 不同浇筑层厚等情况的仿真计算结果, 得 出: 浇筑温度 对混凝 土锚碇施工期温度场的影响比较大 ; 气温周期 变化对运行期混凝土温度的影响大于施 工期 ; 太阳辐射 对 混凝土锚碇的温度场有一定影响; 混凝土分层浇筑层间间歇期对混凝土锚碇的温度场影响较大, 但最终达到稳定温度的 时间基本不 变。 关键词 :大体积混凝土 ;温度场 ;有 限元 中图分类号 :U 4 4 8 2 5 文献标 识码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 01 3 7 9 2 0 1 0 0
3、 5 0 5 2 混凝土内外温差过大会 导致其 温度应 力超过 其抗拉 强度 而产生表而裂缝, 表面裂缝有可能发展成为贯穿性裂缝, 危及 大体积混凝土结构的安全。笔者以已建某悬索桥混凝土框架 型重力式锚碇锚块 为研 究对象 , 根 据其分 层浇 筑 、 快 速施 工的 特点 , 以热传导理论和瞬态温度场三维有限元方法为基础, 采 用大 型商业有 限元软件 A N S Y S对其进行 了温度场仿真计算。 1 计算基本资料 1 1 气温 桥址年平均气温为2 1 0。气温变化可用余弦函数表 示为 = 2 1 o+7 _ 5 c 0 s ( 4 9 ) 式中 : t 为距离开始施工 的时 间, d 。
4、 大体积混凝土在施工过程中, 表面温度受 E t 照影响将高于 气温, 在计算温度场时必须考虑太阳辐射热的影响。工程计算 中第三类边界可以包括辐射热边界。该桥址处年平均风速取 3 2 n r s , 日照相 当于年平均气 温提高 9 2 0 q c, 气温年 变幅提 高 3 6 O 。日照引起气温变化可用余 弦函数表示 为 =9 2 0十3 6 0 c o s ( +4 9 ) 1 2 混凝土与基岩的热学参数 该锚碇混凝土的试验数据及基岩热学参数见表 1 。 混凝土绝热温升采用双曲公式计算 : ( ): n+ 式中 : r 为混凝土龄期 , d ; O o 为 r 时的最终水化 热绝热温 升
5、, ; 0 ( )为龄期为 7 _ 时的绝热 温升 , ; n为常数 , 取 1 0 6 8 。 表 1 混凝土及基岩的热学参数 2 温度场有限元计算理论基础 由热传导理论, 考虑三维不稳定温度场, 在区域 内 应满 足拉普拉斯方程 : 磐 + + + ( 一 ) : 0 a x z a a ZL O l a f af 初始条件 为 T ( , Y, , 0) = ( , Y , z ) 第一类边界条件为 ( r )=_厂 ( ) 1 】 4 第二类边界条件为 一 : , ( ) 一 八 ) 第三类边界条件为 一 A aT :卢 ( T ) d 式 中: 为温度 ; 为绝热 温升 ; JB为表
6、面放 热 系数 ; A为 导热系 收稿 日期 : 2 0 0 9 0 6 - 0 2 作者简介 : 王 军玺 ( 1 9 7 6 一 ) , 男, 甘肃秦安人 , 讲师 , 博士 , 研 究方 向为水 工结构 现代设计、 分析理论及方法。 E ma i l : w a n g j u n x i0 8 0 1 0 1 1 2 6 c o m 人 民 黄 河2 0 1 0年第 5期 数 ; a为导 温系数 ; T a 为气温 。 根据变分原理 , 这个问题等价于下述泛函的极值问题: , ( ) = O以 T ) + ( ) + ( 警 i ( ao 一 ) r, d y 出 + 一 采用中点差分
7、隐式解法得 : ( 肌 ) T n R -0 式 中: 日为热传导矩 阵 ; 为热容量矩 阵 ; + 为节点温度 向量 ; F 为节点 的外 部热向量 ; 为时间步长 。 、F 、 F 是 已知 的 , 上式是 关 于 + 。的线 性方 程组 , 可 解得各节 点在 r= 时 的温 度 。 3 计算模型及计算条件 3 1 三维有限元模 型 为了减小有限元计算时边界条件引起的误差, 截取了较大 的地基计算范 围 : 纵 向从 混凝 土 锚块 向左 、 向右各 取 2倍锚 块 长, 为6 4 IT I ; 横向从混凝土锚块向前取 2倍锚块宽 , 为 2 5 IT I ; 深 度方向从建基面垂直向下
8、取 2倍锚块高 , 为7 5 m。 采用 S O L I D 7 0六面体 8节点等参热单元 , 每个节点只有一 个温度自由度, 运用此单元建立实体模型进行瞬态热分析。为 了保证模拟的精确性 , 在划分有限元网格时, 沿锚碇高度方向 ( 竖 向) 划分 得 比较密 , 每一浇筑层划分为 2层单元 。网格划 分 完毕后, 整个模型的单元数为 1 3 8 2 4 ( 其中基础部位为 6 7 1 9个 单元) , 节点数为 1 6 8 6 3 。 3 2计算方法 大体积混凝土的分层浇筑是一个动态过程 , 分析中对于浇 筑单元采用单元生死功能进行处理。边界上存在空气和混凝 土的热对流 , 属于热分析
9、中的第 三类 边界条 件 , 对 流边 界条 件 可以作为面荷载施加于实体模型的表面来计算 固体和气体间 的热交换 , 但 当上层混凝 土单 元被 激 活时 , 下 层混 凝土 单元 的 顶部热边界消失。因此, 当激活上层混凝土单元时, 应当删除 下层单元顶部的对流边界条件。在 A N S Y S软件中, 混凝土的 绝热温升通过生热率来实现。在施工过程中混凝土内部生热 率及外界气温是随时间变化的参数 , 为更好地模拟这种变化 , 采用了 A N S Y S软件 中的函数 功能和表格施加荷 载技 术 J 。 3 3计算 方 案 的选 择 计算 中考虑混凝土水化生 热 、 外 界气温 的变化 、
10、太 阳辐射 、 不同浇筑间歇期、 不同浇筑温度、 不同分层厚度等因素, 合理选 取荷 载步长 , 具体方 案见表 2 。 4 计算结果分析 经过仿真计算得到了各方案温度分布等值线及典型点温 度变化曲线。对仿真计算结果分析如下。 4 1 浇筑 温 度影 响分 析 ( 1 ) 浇筑温度对混 凝土锚 碇施 工期 温度场 影 响比较 大 , 浇 筑温度越高, 锚碇各时刻相应的最高温度也越高。方案 1与方 案 2浇 筑温度相差 1 0 0 , 其 施工 期各 时刻 最高 温度 差值 随 着 时间的推移逐渐变 大 , 最 大相 差 9 9 2 , 运行期 各时刻最 高 温 度差值随着时 间的推移逐渐变小
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