温度变化对大体积混凝土温度应力影响的有限元分析

第３Ｏ卷第６期　Ｖｏ１＿３Ｏ　Ｎｏ．６　建筑施工　ＢＵＩＬＤＩＮＧ　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　温度变化对大体积混凝土温度应力　影响的有限元分析　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｖａｒｉｖａｒ｜ａｔｉｏｎ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｓｔｒｅ，Ｏｎ　ｏｎ　Ｉ　ｅｍＰ　ｒｅｓｓ　，　ｉＩ　ｎ　Ｍａ．ａｓｓ　０ｎｃｒｅｔｅ　ｑ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ口　王昌洪　施香娇　（晟元集团有限公司　浙江金华３２１　００１）　【摘要】采用ＡＮＳＹＳ有限元软件模拟混凝土的浇筑过程，同时考虑混凝土在不同的大气温度下浇筑、在不同的龄期遭遇　寒潮以及采取一定的降温措施后、混凝土的浇筑温度的不同等对其温度场和应力场的影响。通过计算发现，这些温度的变化不　同程度影响混凝土的温度应力。　【关键词】大体积混凝土　温度变化　温度应力　有限元分析　【中图分类号】ＴＵ７５５．７　，文献标识码　Ｂ　【文章编号】１００４—１００１（２００８　Ｊ０６—０４４２—０３　目前对于防治大体积混凝土的裂缝的方法总起来可以　用”抗”、“放”、“防”三个字来概括，且对“抗“和“放”方法的研　究较多，如预应力混凝土、可呼吸方法、后浇带等，而采用防　率：ｆ（ｔ）＝ｄＱ／ｄｔ＝ｍＱ０ｅ－ｍｒ。　由热传导方程，根据已知的初始条件和边界条件，就可　以求得混凝土的温度场。通过有限元离散，可以得到如下形　式的矩阵方程［５－６］：　的方法则更多的是一种经验的方法［ｉ－３］。“防”主要以规范“大　体积混凝土内外温差控制在２５ｏＣ以内“为依据，结合测温措　施，主要采用畜热保温法、内降外保法以及蓄水养护法等控　［ｃ］ｆ　｝＋［　…＿｛口ｌ　式中：［ｃ］为比热矩阵，考虑系统内能的增大：［　为传热　矩阵，包括导热系数，对流系数，辐射率以及形状函数：｛Ｔ）　为节点温度向量；｛０　ｌ为节点热流率向量，包括热生成。　１．２混凝土应力场的计算原理　混凝土结构的温度场求得后，可根据弹性理论求得混凝　土各部分的温度应力，由于混凝土的弹性模量是随时间变化　的，故可采用增量法来进行计算。对于嵌固板结构，其温度应　力为：　盯ｃｔ　ｎ△　怍制内外温差　］。总之，目前关于“防”的方法更多的是施工中　种经验，是一种定性的方法，还没有提到定量的高度。本文　从定量的角度出发，采用ＡＮＳＹＳ有限元软件来模拟分析大气　温度、浇筑温度等变化对大体积混凝土温度应力的影响［¨］。　１理论基础　１．１混凝土温度场计算原理　温度的变化是温度应力的起因，求解混凝土的温度应力　必须首先求解混凝土的温度场。混凝土温度场的计算与求　解，可按照热传导方程进行计算。混凝土内部温度场分布是　随龄期变化情况的瞬态温度场，可用具有内置热源的固体三　维正交各向异性热传导微分方程来描述，如下式所示：　毫气　式中：　为线膨胀系数；△７＿为温差：　为泊淞比；Ｈ为　应力松弛系数；Ｅ为弹性模量，随龄期变化而变化，可采用下　式：　Ｅ（，ｒ）＝Ｅｏ（１一ｅ　）　熹）＋　（　）＋言　）　＝｝　式中：　，　，　为混凝土三个方向的导热系数；丁为混凝　式中：　为龄期；　为，ｒ—ｏ。时的最终弹性模量；　为　常数，经验取为Ｏ．０９。　通过虚功原理和有限元离散可以得到下面的有限元求　解方程：　［　｛６】＝［Ｐ］　土的瞬时温度；Ｃ为混凝士的比热ｉ　Ｐ为混凝土的密度；ｆ（ｔ　为放热速率，由水泥的水化热，０ｆｔ户０。（１－ｅ—　），可得放热速　【作者简介】王昌洪（１９６４一），男，硕士，高级工程师。联系地　址：浙江省金华市解放西路２３３号（３２１００１　ｏ　［　为结构的刚度矩阵：｛６）为节点位移向量：［Ｐ］为等效　【收稿日期】２００８—０４—３０　・节点荷载，为前面求出的温度场。　４４２・　维普资讯 http://www.cqvip.com ６／２００８　王昌洪、施香娇：温度变化对大体积混凝土温度应力影响的有限元分析　第６期　２有限元数值模拟分析　２．１　ＡＮＳＹＳ有限元模拟分析　有限元软件ＡＮＳＹＳ功能强大，能够同时实现几种分析。　本文主要使用ＡＮＳＹＳ的温度一应力耦合分析，先求出混凝土　的温度场，然后求出混凝土的应力场。ＡＮＳＹＳ对混凝土的浇　筑处理如下：　（１）合理选取荷载步，一般以天为单位。　（２）可以把一个浇筑块作为一个单元，也可以把它分成　多个单元。对于浇筑单元采用单元生死法，即未浇筑前让它　沉睡，当浇筑时再把它唤醒。　（３）浇筑时涉及到结构的热学和力学问题，故需要同时　考虑热分析和结构分析。利用ＡＮＳＹＳ的热一结构耦合分析能　力，一般先进行热物理场的分析，然后再进行结构分析。　（４）在热分析中一般定义混凝土的导热系数，密度及比　热，在计算中不考虑这些材料性能随时问变化的因素；结构　分析中定义混凝土的弹性模量、热膨胀系数、泊松比和参考　温度等，计算中要考虑混凝土的弹性模量随龄期的变化。　（５）热单元采用Ｓ０ＬＩＤ７０，结构单元采用Ｓ０ＬＩＤ４５。两个　单元一起使用，当进行完热分析后，就把Ｓ０ＬＩＤ７０转化为　ＡＮＳＹＳ中热单元Ｓ０ＬＩＤ７０相对应的结构单元Ｓ０ＬＩＤ４５。　２．２分析实例　图１是某大体积混凝土底板的有限元分析模型。底板的　尺寸为１２０　ｍｘ　５６　ｍｘ　３　ｍ。混凝土底板浇筑在岩石地基上，　边嵌固，其它各边自由。混凝土上部和侧部通过空气散热，　混凝土下部经过地基导热。底板下面的地基视为半无限大物　体，但在ＡＮＳＹＳ实际建模中，取地基的长和宽都分别为混凝　土底板的两倍。按不稳定导热理论，当混凝土温度发生变化　时，受混凝土温度影响的土壤深度不是一个定值，而是随时　间增加而增加的变量，在计算中取地基的计算深度为１０　ｍ，　地基除上表面外其它各边均三向约束。　图１有限元模型　２．３有限元模拟结果分析　２．３．１大气温度（不考虑降温措施）　在不考虑任何降温措施下，混凝土的浇筑温度与大气温　度相关，岩石的温度，混凝土的稳定温度也与大气温度相关。　根据参考文献跚中温度的计算方法，￣　．一Ｚ．Ｂ…Ｉ＼…、．…－￣；ｍＢ度　下的ＡＮＳＹＳ各计算参数，列于表１。　表１计算参数　大气温度（℃）　Ｏ　１Ｏ　２０　３０　岩石温度（℃）　２　８　１６．５　２５　混凝土浇筑温度（℃）　５　２０　３５　５０　混凝土参考温度（℃）　Ｏ　８　１５　２５　采用表１中的计算参数，计算大气温度分别为０￣Ｃ、　１０ｃｃ、２０ｃｃ、３０ｃｃ下的温度场和应力场，得到图２和图３。由　图可以看出，在大气温度越高时浇筑混凝土，混凝土的中心　最高温度越高，混凝土的最大应力也越大，混凝土浇筑时大　气温度每降低１０ｃｃ，混凝土的最大应力可降低０．２～　０．３　ＭＰａ。　善　理州　舔　浇筑天数／ｄ　图２不同大气温度下的温度场　大气温度，℃　图３不同大气温度下的最大应力　２－３．２寒潮　在上一节中考虑的大气温度是一个常值，实际上在混　凝土浇筑过程中气温是随时间的变化而变化的，只是变化的　幅度有时很小，可以忽略。但在遭遇寒潮时，大气的温度有一　个很大的变化幅度，此时大气温度的变化不可忽略。考虑大　气温度为１０ｃｃ时，不同龄期大气降温１０ｃｃ时混凝土的温度　场。混凝土表面的温度变化如图４所示：混凝土中心的温度　变化如图５所示。　由图４和图５比较可以发现，在相同的大气温度下　浇筑混凝土，龄期内遭遇寒潮仅对混凝土上表面温度影响较　大，对混凝土中心的温度影响较小。图６是混凝土的应力场，　从图中可以看出，在遭遇寒潮的当天，混凝土的温度应力会　提高。随着遭遇寒潮的龄期越来越晚，底板的应力变化幅度　也越来越大。当寒潮发生在第１　ｄ时，第一主应力在第一天　仅变大了０．０９　ＭＰａ；而当寒潮发生在第２８ｄ时，第一主应力　・４４３・　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期　王昌洪、施香娇：温度变化对大体积混凝土温度应力影响的有限元分析　∞　一６／２００８　加　Ｕ　一　加　。　在当天变大了Ｏ．９３　ＨＰａ　＼　｛撼　赠　＋不遭遇寒潮　＋第ｌ天遭遇寒潮　＋第７天遭遇寒潮　—＊一第１４天遭遇寒潮—　一第２１天遭遇寒潮—・一第２．８天遭遇寒潮　图４不同龄期遭遇寒潮时混凝土上表面温度变化　＼　赠　浇筑天数／ｄ　—・一没有遭遇寒潮＿　第１天遭遇寒潮＋第７天遭遇寒潮　。　第ｌ４天遭遇寒潮—＊一第２ｌ天遭遇寒潮＋第２８天遭遇寒潮　图５不同龄期遭遇寒潮时混凝土下表面温度变化　皇　＼　舔　９　１３　１７　２１　２５　２９　浇筑天数／ｄ　＋没有遭遇寒潮　＋第１天遭遇寒潮＋第７天遭遇寒潮　＊第ｌ４天遭遇寒潮—＊一第２ｌ天遭遇寒潮　－第２８天遭遇寒潮　图６不同龄期遭遇寒潮时混凝土的应力场　２　３．３　浇筑温度（考虑降温措施）　在大气温度较高时浇筑混凝土可以采取一定的降温措　施，假定在大气温度为３ＯｃＣ时浇筑混凝土，采取一定的降温　措施，浇筑温度降为４ＯｃＣ、３５ｃＣ、３ＯｃＣ、２５ｃＣ时，混凝土的温　度场和应力场如图７和图８所示。　由图７和图８可以看出，考虑降温措施降低混凝土的浇　筑温度，可以降低混凝土的中心最高温度，也可以降低混凝　土的最大应力。当浇筑温度为２５ｃＣ时，中心最高温度为　５８．１６ｃＣ，底板主拉应力为２．８１　ＭＰａ：而当浇筑温度为４ＯｃＣ　时，中心最高温度为７Ｏ－２７ｃＣ，底板主拉应力为３．８５　ＭＰａ。当　浇筑温度从４ＯｃＣ降至２５ｃＣ时，底板的主应力减小了　１．０４　ＨＰａ。混凝土的最大应力与浇筑温度基本成线性关系，　混凝土浇筑温度每降低５ｃＣ，最大应力减少０．３５　ＭＰａ。　８Ｏ　７０　６ｏ　５０　氲４赠３０　ｏ　２０　ＩＯ　ｏ　ｏ　４　８　ｌ２　ｌ６　２０　２４　２８　浇筑天数，ｄ　图７不同浇筑温度下的温度场　瑙　浇筑温度，℃　图８不同浇筑温度下的最大应力　３　结论　本文对大体积混凝土温度应力作了初步研究，讨论了混　凝土浇筑时大气温度的不同、混凝土龄期内不同时期遭遇寒　潮以及不同浇筑温度这三种情况。通过有限元分析，可以得　到下面结论。　（１）寒潮对混凝土的温度应力的影响最大，但寒潮仅　影响混凝土的表面温度，对混凝土中心温度的影响微乎其　微，即温差仅与表面温度相关，这说明外界气温的变化仅对　混凝土表面起作用，仅采取外表面的保温措施就可以起到降　低温差，从而降低温度应力的效果。　（２）浇筑温度和浇筑时的大气温度对混凝土的温度应　力也有很大的影响，假定这两个温度都降低１ＯｃＣ，混凝土的　温度应力可以降低约１　ＨＰａ。　（３）采用“防”的措施时要具体问题具体分析。若温度　差是由于外界温度变化幅度大引起的，应以保温措施为主；　若浇筑时大气温度太高时，应采取一定的降低浇筑温度的措　施，最有效的方法是降低石子和砂子的温度。　参考文献　…Ｉ刘国强大体积混凝土基础温度应力分析及控制山西建筑，２（）０６　ｆ２】张玉明，孟少平，边广生．考虑具体施工务件的超长混凝土结构　温度应力计算．建筑技术，２￣３０６　［３】王铁梦工程结构裂缝控制“抗与放”的设计原则及其在“跳仓法”　施工中的应用　建筑工业出版社，２００７．　ｆ４１王铁梦．工程结构裂缝控制．中国建筑工业出版社，１９９７　［５】朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制中国电力出版社，１９９９　郝文化．ＡＮＳＹＳ土木工程应用实例中国水利水电出版社，２０｛）５．　ｆ７】孙蔚。大体积混凝土温度场及温度应力有限元分析。工程建设与　设计．２００５（１０）．　０碍每　蜒　瓷　警