大体积混凝土温度场有限元分析

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1、第32卷第5期人民黄河Vo】．32．No．52010年5』jYELLOWRIVERMay，2010【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730070；2．河海大学水利水电工程学院，江苏南京210098；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830000)摘要：基于瞬态温度有限元方法，采用大型有限元商业软件ANSYS模拟大体积混凝土锚碇薄层浇筑动态施工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

2、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：U448．25文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．05．052混凝土内外温差过大会导致其温度应力超过其抗拉强度大体积混凝土在施工过程中，表面温度受Et照影响将高于而产生表而裂缝，表面裂缝有可

3、能发展成为贯穿性裂缝，危及气温，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3．2nr／s，日照相当于年平均气温提高9．20qc，气温年变幅提特点，以热传导理论和瞬态温度场三维有限元方法为基础，采高3．6O℃。日照引起气温变化可用余弦函数表示为用大型商业有限元软件ANSYS对其进行了温度场仿真计算。△=9．20十3．60cos[(+49)]1计算基本资料1．2混凝

4、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⋯。1．1气温混凝土绝热温升采用双曲公式计算：桥址Ⅸ年平均气温为21．0℃。气温变化可用余弦函数表示为()：n+=21．o+7_5c0s[(49)]式中：r为混凝土龄期，d；Oo为r—时的最终水化热绝热温升，℃；0()为龄期为7_时的绝热温升，℃；n为常数，取1．068。式中：t为距离开始施工的时间，d。表1混凝土及基岩的热学参数第二类边界条件为2温度场有限元计算理论基础一一：，八()由热传导理论，考虑三维不稳定温度场，在区域内应满第三类边界条件为足拉普拉斯方程：

5、AaT一：卢(T—)磐+++(一)：0daxzaaZLOlafaf‘式中：为温度；为绝热温升；JB为表面放热系数；A为导热系初始条件为T(，Y，，0)=(，Y，z)收稿日期：2009—06-02作者简介：王军玺(1976一)，男，甘肃秦安人，讲师，博士，研究方向为水工结构第一类边界条件为现代设计、分析理论及方法。(r)=_厂()E—mail：wangjunxi080101@126com．1】4·人民黄河2010年第5期数；a为导温系数；Ta为气温。案2浇筑温度相差10．0℃，其施工期各时刻最高温度差值随根据变分原理，这个问

6、题等价于下述泛函的极值问题：着时间的推移逐渐变大，最大相差9．92℃，运行期各时刻最高温度差值随着时间的推移逐渐变小。，()={÷O以T)+()+(警—i(oa一)r，}表25种计算方案dy出+÷一采用中点差分隐式解法得：(肌)TnR"-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。注：=(2~／365)(f+49)、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。(2)混凝土水化速度与浇筑温度有关，方案1中最高温度出现时间比方案2中最高温度出现时间晚

7、4d。这说明混凝土3计算模型及计算条件水化速度随浇筑温度变化，而混凝土强度的变化和水化放热基本同步。因此，控制浇筑温度对降低施工期温度场最高温度有3．1三维有限元模型很大作用。为了减小有限元计算时边界条件引起的误差，截取了较大4．2外界环境温度影响分析的地基计算范围：纵向从混凝土锚块向左、向右各取2倍锚块(1)外界环境温度对混凝土温度的影响。同一浇筑层、同长，为64ITI；横向从混凝土锚块向前取2倍锚块宽，为25ITI；深一高度的点其最高温度从内到外逐渐变低；同一浇筑层内部度方向从建基面垂直向下取2倍锚块高，为75m。点、

8、顶部点、侧边上的点最高温度依次变低；上部混凝土浇筑层采用SOLID70六面体8节点等参热单元，每个节点只有一水平尺寸较小，其最高温度较下部浇筑层最高温度低；降温速个温度自由度，运用此单元建立实体模型进行瞬态热分析。为率由夕至0内变，J、。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(2)外界环