ANSYS計算大體積混凝土溫度場的關(guān)鍵技術(shù)

1、ANSYS計算大體積混凝土溫度場的關(guān)鍵技術(shù)王新剛1高洪生2 聞寶聯(lián)3(中交天津港灣工程研究院有限公司結(jié)構(gòu)所，中國天津，300222;中交一航局五公司，河北秦皇島，066002;天津市市政工程研究院,天津,300074)摘要：為了能夠用ANSYS較為準(zhǔn)確地計算大體積混凝土溫度場，本文結(jié)合工程實例，對單元選擇、網(wǎng)格劃分以及各時變參數(shù)的技術(shù)處理進行了分析和探索。計算結(jié)果表明，溫度場的計算值與實測值比較接近，在變化趨勢上也基本一致，同時也驗證了本文所提出方法的可行性。關(guān)鍵詞：大體積混凝土；水化熱；溫度場；ANSYSkey technologies calculate the mass concrete

2、 temperature field with ANSYSWANG Xin-gang1 GAO Hong-sheng2 WEN 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

3、 Research institute, Tianjin 300074)Abstract: 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 element's technical processing in this article unifie

4、s 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; h

5、ydration heat; Temperature field; ANSYS- 5 -0引言作者簡介：王新剛（1973- ），男，河北玉田人，碩士，中交天津港灣研究院工程有限公司結(jié)構(gòu)所工程師。研究方向：橋梁施工控制、大體積混凝土溫度應(yīng)力計算及裂縫處理。通訊地址：天津市河西區(qū)大沽南路1002號 郵編：300222E-mail:wxg58聯(lián)系電話體積混凝土廣泛應(yīng)用于船塢、船閘、大壩等工程中。大體積混凝土由于體積厚大，導(dǎo)熱系數(shù)較低，容易生產(chǎn)溫度裂縫。因此在設(shè)計、施工以及監(jiān)理階段需要詳細(xì)驗算水化熱引起的溫度應(yīng)力。但由于水泥水化過程中，系統(tǒng)的溫度、生熱率、熱流率、熱邊界條件等

6、參數(shù)隨時間都有明顯變化。利用大型通用有限元程序ANSYS對大體積混凝土施工過程進行仿真分析可以同時考慮各參數(shù)的隨時間變化，并利用強大的后處理功能形象地給出溫度場分布情況。但在分析過程中單元的選擇、網(wǎng)格劃分以及環(huán)境溫度、水化熱生熱率、表面放熱系數(shù)等時變參數(shù)如何在程序中實現(xiàn)是仿真分析的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到溫度場計算的準(zhǔn)確性。1. 單元選擇及網(wǎng)格劃分ANSYS的實體單元SOLID70參考文獻(xiàn) 1 ansys11.0幫助手冊. ANSYS INC.有8個節(jié)點，且每個節(jié)點上只有一個溫度自由度，具有三個方向的熱傳導(dǎo)能力，并能實現(xiàn)勻速熱流的傳遞。該單元可以用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析，同時此單元也可以進行結(jié)構(gòu)

7、分析。用 ANSYS計算大體積混凝土溫度場的目的是以此為基礎(chǔ)來計算溫度應(yīng)力。因此計算大體積混凝土三維溫度場時可選取三維實體熱單元SOLID70，該單元可以在前處理器通過“ETCHG,TTS”命令進行單元轉(zhuǎn)換，原來的熱單元SOLID70將自動轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元SOLID45，以方便接下來的溫度應(yīng)力計算。劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計算結(jié)果的精度和計算規(guī)模的大小。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)權(quán)衡兩個因數(shù)綜合考慮。圖1計算精度和計算時間隨網(wǎng)格數(shù)量變化圖圖1中的曲線1表示計算精度隨網(wǎng)格數(shù)量變化情況；曲線2表示計算

8、時間度隨網(wǎng)格數(shù)量變化情況。從圖中可以看出網(wǎng)格較少時增加網(wǎng)格數(shù)量可以使計算精度明顯提高，而計算時間不會有大的增加。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網(wǎng)格時計算精度提高甚微，而計算時間卻有大幅度增加。所以應(yīng)注意增加網(wǎng)格的經(jīng)濟性。實際應(yīng)用時可以比較兩種網(wǎng)格劃分的計算結(jié)果，如果兩次計算結(jié)果相差較大，可以繼續(xù)增加網(wǎng)格，相反則停止增加。計算大體積混凝土溫度場時，在計算機硬件允許的條件下應(yīng)取盡可能多的網(wǎng)格數(shù)量。2. ANSYS計算大體積混凝土溫度場各參數(shù)的技術(shù)處理2.1. 環(huán)境溫度氣溫資料可以從附近的氣象站或水文站取得。在ANSYS中環(huán)境溫度變化可采用正弦或余弦表達(dá)式來模擬： (2-1)式中：氣溫；日平

9、均氣溫，可取日最高氣溫與最低氣溫的平均值；氣溫日變幅，取最高氣溫與最低氣溫差值的一半；時間，h；氣溫最高的時間，h。2.2. 水泥水化熱的施加水泥水化熱是影響混凝土溫度場的關(guān)鍵因素，推薦采用朱伯芳院士的復(fù)合指數(shù)式 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，1999:19202，其表達(dá)式為： (2-2)式中：Q(t)混凝土水化熱；最終水化熱；a、b系數(shù)。和系數(shù)a、b應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工混凝土配合比通過試驗來確定，也可根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)反推得到。粗略計算時可按表1取值計算。水泥水化熱常數(shù)表1水泥品種Q0(J/g)普通硅酸鹽水泥425#525#3303500.690.360.560

10、.74普通硅酸鹽大壩水泥525#2700.790.70礦渣硅酸鹽大壩水泥525#2850.290.76在ANSYS中 ，不能簡單地將計算出來的水化熱值作為邊界條件來施加，ANSYS的水化熱是通過生熱率HGEN來施加的。生熱率就是單位時間內(nèi)混凝土的生熱量，即所產(chǎn)生的熱量對時間的導(dǎo)數(shù)，其表達(dá)式為： (2-3)式中：HGEN混凝土水化生熱速率，W/m3； WC單位體積混凝土水泥用量，kg/m3；由式2-2、2-3可得：（2-4）其APDL語言實現(xiàn)如下：TIME,J !載荷步終止時間ESEL,S,MAT,2 !選擇單元FLST,2,9000,2,ORDE,2FITEM,2,17501 FITEM,2,

11、-26500 *SET,HEAT,Wc*Q0*a*J*(b-1)*EXP(-a*J*b)!計算水化熱BFE,P51X,HGEN,_Z4, HEAT, , ,!施加水化熱2.3. 邊界條件在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，廣泛采用的是第三類邊界條件3 張朝暉.ANSYS熱分析教程與實例解析M. 北京：中國鐵道出版社，2007:213，即假定經(jīng)過混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度和混凝土周圍介質(zhì)溫度之差成正比，即：（2-5）式中固體表面的放熱系數(shù)，也稱對流系數(shù)，。其值與風(fēng)速有密切的關(guān)系，而且混凝土表面的粗糙程度對其影響特別大，如果混凝土表面有保溫層，則表面放熱系數(shù)主要取決于各保溫層的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)，可按下式計

12、算： （2-5）式中，模板及各種保溫材料的厚度(m)；模板及各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)()； 固體在空氣中的放熱系數(shù)，可取23()。其APDL語言實現(xiàn)如下：*SET,Ta,Tam+Aa*cos(3.14/12*(J-t0) !計算環(huán)境溫度*SET,Beta,1/(D1/L1+D2/L2+Bq)!計算放熱系數(shù)FITEM,2,316 FITEM,2,20197 !選擇表面節(jié)點SF,P51X,CONV, Beta, Ta !施加放熱系數(shù)2.4. 其他參數(shù)澆筑溫度澆筑溫度的模擬是將新澆混凝土的初始溫度設(shè)置為澆筑溫度，然后在水化放熱和熱邊界條件的作用下，其溫度場開始發(fā)展變化。導(dǎo)熱系數(shù)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)是反映熱

13、量在混凝土內(nèi)傳導(dǎo)難易程度的一個系數(shù)。普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)一般在8.3912.56kJ/（m·h·）之間，具體值可由混凝土的各組成成分的重量百分比按加權(quán)平均方法計算得出比熱單位質(zhì)量的混凝土，溫度升高1時所需吸收的熱量稱比熱，普通混凝土的比熱一般在0.841.05kJ/(kg·)之間。密度混凝土密度是指單位體積混凝土的質(zhì)量，普通混凝土的密度大約在23002450kg/m3，具體值可由混凝土配合比計算得出。另外，有關(guān)地基的一些熱學(xué)參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度等可由該工程地基勘察報告中獲得。3. 施工階段的模擬在ANSYS中要實現(xiàn)按大體積混凝土施工階段計算溫度場，就要用到

14、ANSYS的“單元生死”技術(shù)。所謂單元的“殺死”，ANSYS程序并不是將“殺死”的單元從模型中刪除，而是將其剛度矩陣乘以一個很小的因子，因子缺省值為1.0E-6。死單元的單元載荷將為0，從而不對載荷向量生效。與上面的過程相似，如果單元的“生”，并不是將其加到模型中，而是重新激活它們。在計算大體積混凝土溫度場時，首先在PREP7 中生成所有單元，然后全部殺死，再根據(jù)施工進度在合適的時刻逐塊激活相應(yīng)的塊體或單元并施加邊界條件，同時以循環(huán)過程來實現(xiàn)順序澆筑過程的仿真，相應(yīng)的APDL語言如下：*DO,J,1,nESEL,S,MAT,2 !選擇全部混凝土單元EKILL,ALL !殺死全部所選取的單元ES

15、EL,S, !根據(jù)施工進度選擇單元EALIVE,ALL !激活所選取的單元SOLVE*ENDDO4. 工程應(yīng)用實例4.1工程概況山海關(guān)船舶重工有限責(zé)任公司造船塢、舾裝碼頭工程由中交一航局五公司承建。船塢主體中的水泵房由泵房主體、集水池及沉砂槽等組成，采用天然巖基上的鋼筋砼箱形結(jié)構(gòu)，平面尺寸24.0×19.75m，由上至下分別為：面層、電機層、水泵層、流道層。泵房南北外墻厚1.6m，東墻厚1.5m，西墻厚1.15m，底板厚2.0m。集水池和沉砂槽伸入船塢9.0m。泵房砼總方量4704m3，砼強度等級為C30。水泵房C30混凝土配合比見表2。水泵房C30混凝土配合比(kg)表2水泥P.O

16、42.5砂石子水202811538X2181減水劑UEA粉煤灰礦粉6.34934.362.453水泵房分六層進行施工，如圖2所示，每層施工完成后停工20天，拆模后覆蓋一層塑料薄膜和兩層4mm厚土工布進行養(yǎng)護。圖2水泵房分層施工示意圖4.2 建立模型及確定計算參數(shù)按水泵房的實際尺寸建立ANSYS有限元模型，采用自由網(wǎng)格劃分方法，單元邊長取0.1m。根據(jù)山海關(guān)地區(qū)氣候資料確定T a。由表1和表2，Q0取330J/g，a取0.69。式2-4中Wc=202+34.3+0.3*(62.4+53)=270.92kg。則有：TIME,J !載荷步終止時間Ta=18+8*COS(0.262*(J-14)HGE

17、N=61688.5*J*(-0.44)*EXP(-0.69*J*0.56)=9.9kJ/(m·h·)其他計算參數(shù)取值如表3所列。其他計算參數(shù)取值表3位置特性混凝土基巖比熱(J/g·)0.950.84密度(kg/m3)24261970導(dǎo)熱系數(shù)(kJ/m·h·)12.559.27澆筑溫度()1228d強度(Mpa)3.01.0泊松比0.180.204.3 計算結(jié)果綜合以上各節(jié)分析，并要據(jù)施工進度形成APDL文件，計算水泵房混凝土溫度場，每個施工階段混凝土澆筑后的前3天每半小時計算溫度場一次，47天每小時計算一次，以每天計算一次。圖3水泵房一層第48小時溫度場水泵房一層第48小時溫度場如圖3所示。一層中