基于ansys斜拉桥主塔混凝土浇筑过程水化热研究

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1、基于ANSYS斜拉桥主塔混凝土浇筑过程水化热研究  摘要:以某大跨斜拉桥为工程背景,基于ANSYS的APDL语言编制相应的命令流程序,建立了斜拉桥索塔的三维有限元模型,对主塔下塔柱第一节段混凝土浇筑过程水化热进行了仿真分析。结果表明,理论计算结果与现场监测较为吻合,验证了理论计算方法的可行性,为该桥的施工监控和其他同类桥梁的计算分析提供了依据。关键词:ANSYS斜拉桥大体积混凝土温度场中图分类号:U448.27文献标识码:A文章编号:1.概述斜拉桥主塔属于大体积高标号混凝土结构,在混凝土浇筑过程的水

2、化反应生热不易较快散失,从而形成结构内部较大的不均匀温度场,导致构件产生截面应力重分布和结构内力重分布,影响结构的变形、裂缝的出现和发展等使用性能,甚至影响极限承载力。本文以某大跨度斜拉桥为工程背景,用ANSYS有限元软件模拟主塔节段混凝土浇筑水化反应生热的过程以及由此引起结构的应力,并根据计算结果提出了合理的温控措施。1.工程概况6某大跨斜拉桥主塔选用花瓶形,塔高102.5m,采用C50钢筋混凝土结构,分节段爬模法施工。下塔柱第1节段高4.5m,分为实体段和单箱单室段。其中实体段高3m,横桥向宽5

3、.85-6m,顺桥向宽10.8-11m;单箱单室段高1.5m,横桥向宽5.77-5.85m,顺桥向宽10.7-10.8m,横桥向壁厚为1.2m,顺桥向壁厚为1.5m。2.温控计算2.1计算模型根据图纸尺寸取第一节段1/4对称部分进行计算,有限元模型如附图1所示,建模要点如下:附图1(1)浇筑前模拟参数:混凝土密度为2450kg/m3,导热系数为300.89,比热为1.01,初温度为28.7℃。边界及对流条件如下:塔座底部和承台之间以及结构对称面与外界环境之间不考虑热交换:HFLUX=0;第一节段混凝

4、土外侧为钢模板,对流系数取;内侧为木模板,;塔座外侧、第1节段混凝土表面与空气接触,对流系数取。当与空气接触或有模板和保温层时,可按下式计算对流系数:6式中,为模板的厚度(m),取21mm;为模板的导热系数(W/m·K),木模板取0.23;钢模板取58;为空气的传热系数,可取23(W/m2·K)(2)浇筑后模拟参数:混凝土密度为2450kg/m3,泊松比为0.167,线胀系数为2.0E-5,参考温度为28℃。混凝土弹性模量随时间变化的关系可取指数式:其中a=0.402,b=0.335,。则E(1)=

5、1.29e10Pa,E(7)=2.11e10Pa。(3)水化热模拟:在ANSYS中,混凝土的水化热是通过生热率来施加的,即单位时间内混凝土的生热率。混凝土的水化反应放热过程与混凝土的绝热温升过程具有一致性,水化生热量取指数经验式。第一节段在内一次浇筑完成,计算浇筑完成后第T天的水化反应热量,时间单位以天计。假设时间变量为T,水化热公式采用式中,M为水泥水化速度系数(/d),取m=0.45;为龄期内(通常为28d)单位重量水泥的水化放热总量(kJ/kg),取;为每立方米混凝土中水泥的实际用量(kg/m

6、3),取;为混凝土龄期(d),为混凝土浇筑时间,取。(4)徐变模拟:在结果文件的后处理中利用应力松弛系数来考虑混凝土的徐变。根据热应力分析结果文件,计算每一时间段内的温度应力增量,则计算时刻的徐变温度应力为:,为混凝土的应力松弛系数。2.2分析过程6大体积混凝土浇筑温度场模拟的实现,关键是要准确模拟施工过程中结构的逐步增长及材料的变化。如混凝土弹性模量随着龄期的增长和混凝土徐变等因素的影响。在计算过程中,主要通过运用单元的生与死和宏命令来实现各项参数,即边界条件和初始条件的变化。首先进行热分析:给塔

7、座和第一节段混凝土分别施加初始温度、边界条件和对流条件,考虑混凝土的水化反应生热影响并求解得到第一节段混凝土浇筑后的温度分布。然后进行结构分析:首先将热单元转化为结构单元,并将热材料转变为结构材料。然后在塔座底部施加固定约束条件,对结构整体施加重力作用,最后读入热分析的结果作为荷载施加在结构上并求解得到结构的应力分布情况。3.分析结果6根据温控计算结果,第一节段混凝土在浇筑后的第5天最高温度达到了53.69℃,测点处最高温度出现在第3天为43.52℃,而后温度逐渐下降。监测结果显示:第1节段混凝土浇

8、筑后,测点处温度平均在40℃。理论结果略比实测值偏大,这是由于混凝土浇筑的过程中内部布置有冷却水管道,可以起到带走混凝土内部热量的作用。诸如此类不能在有限元模型中详尽考虑的因素导致了理论计算结果偏大。混凝土浇筑后早期阶段水化反应生成大量热量,且内部采用木模板保温效果较好、外部采用钢模板散热较快,内外温差较大,导致内部混凝土受压,外部混凝土受拉,容易出现表面裂缝。最大拉应力出现在截面有拐角的地方,因此应特别注意这些部位的混凝土养护工作,采取合理有效的防裂控制措施防止发生

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1、基于ANSYS斜拉桥主塔混凝土浇筑过程水化热研究  摘要:以某大跨斜拉桥为工程背景,基于ANSYS的APDL语言编制相应的命令流程序,建立了斜拉桥索塔的三维有限元模型,对主塔下塔柱第一节段混凝土浇筑过程水化热进行了仿真分析。结果表明,理论计算结果与现场监测较为吻合,验证了理论计算方法的可行性,为该桥的施工监控和其他同类桥梁的计算分析提供了依据。关键词:ANSYS斜拉桥大体积混凝土温度场中图分类号:U448.27文献标识码:A文章编号:1.概述斜拉桥主塔属于大体积高标号混凝土结构,在混凝土浇筑过程的水

2、化反应生热不易较快散失,从而形成结构内部较大的不均匀温度场,导致构件产生截面应力重分布和结构内力重分布,影响结构的变形、裂缝的出现和发展等使用性能,甚至影响极限承载力。本文以某大跨度斜拉桥为工程背景,用ANSYS有限元软件模拟主塔节段混凝土浇筑水化反应生热的过程以及由此引起结构的应力,并根据计算结果提出了合理的温控措施。1.工程概况6某大跨斜拉桥主塔选用花瓶形,塔高102.5m,采用C50钢筋混凝土结构,分节段爬模法施工。下塔柱第1节段高4.5m,分为实体段和单箱单室段。其中实体段高3m,横桥向宽5

3、.85-6m,顺桥向宽10.8-11m;单箱单室段高1.5m,横桥向宽5.77-5.85m,顺桥向宽10.7-10.8m,横桥向壁厚为1.2m,顺桥向壁厚为1.5m。2.温控计算2.1计算模型根据图纸尺寸取第一节段1/4对称部分进行计算,有限元模型如附图1所示,建模要点如下:附图1(1)浇筑前模拟参数:混凝土密度为2450kg/m3,导热系数为300.89,比热为1.01,初温度为28.7℃。边界及对流条件如下:塔座底部和承台之间以及结构对称面与外界环境之间不考虑热交换:HFLUX=0;第一节段混凝

4、土外侧为钢模板,对流系数取;内侧为木模板,;塔座外侧、第1节段混凝土表面与空气接触,对流系数取。当与空气接触或有模板和保温层时,可按下式计算对流系数:6式中,为模板的厚度(m),取21mm;为模板的导热系数(W/m·K),木模板取0.23;钢模板取58;为空气的传热系数,可取23(W/m2·K)(2)浇筑后模拟参数:混凝土密度为2450kg/m3,泊松比为0.167,线胀系数为2.0E-5,参考温度为28℃。混凝土弹性模量随时间变化的关系可取指数式:其中a=0.402,b=0.335,。则E(1)=

5、1.29e10Pa,E(7)=2.11e10Pa。(3)水化热模拟:在ANSYS中,混凝土的水化热是通过生热率来施加的,即单位时间内混凝土的生热率。混凝土的水化反应放热过程与混凝土的绝热温升过程具有一致性,水化生热量取指数经验式。第一节段在内一次浇筑完成,计算浇筑完成后第T天的水化反应热量,时间单位以天计。假设时间变量为T,水化热公式采用式中,M为水泥水化速度系数(/d),取m=0.45;为龄期内(通常为28d)单位重量水泥的水化放热总量(kJ/kg),取;为每立方米混凝土中水泥的实际用量(kg/m

6、3),取;为混凝土龄期(d),为混凝土浇筑时间,取。(4)徐变模拟:在结果文件的后处理中利用应力松弛系数来考虑混凝土的徐变。根据热应力分析结果文件,计算每一时间段内的温度应力增量,则计算时刻的徐变温度应力为:,为混凝土的应力松弛系数。2.2分析过程6大体积混凝土浇筑温度场模拟的实现,关键是要准确模拟施工过程中结构的逐步增长及材料的变化。如混凝土弹性模量随着龄期的增长和混凝土徐变等因素的影响。在计算过程中,主要通过运用单元的生与死和宏命令来实现各项参数,即边界条件和初始条件的变化。首先进行热分析:给塔

7、座和第一节段混凝土分别施加初始温度、边界条件和对流条件,考虑混凝土的水化反应生热影响并求解得到第一节段混凝土浇筑后的温度分布。然后进行结构分析:首先将热单元转化为结构单元,并将热材料转变为结构材料。然后在塔座底部施加固定约束条件,对结构整体施加重力作用,最后读入热分析的结果作为荷载施加在结构上并求解得到结构的应力分布情况。3.分析结果6根据温控计算结果,第一节段混凝土在浇筑后的第5天最高温度达到了53.69℃,测点处最高温度出现在第3天为43.52℃,而后温度逐渐下降。监测结果显示:第1节段混凝土浇

8、筑后,测点处温度平均在40℃。理论结果略比实测值偏大,这是由于混凝土浇筑的过程中内部布置有冷却水管道,可以起到带走混凝土内部热量的作用。诸如此类不能在有限元模型中详尽考虑的因素导致了理论计算结果偏大。混凝土浇筑后早期阶段水化反应生成大量热量,且内部采用木模板保温效果较好、外部采用钢模板散热较快,内外温差较大,导致内部混凝土受压,外部混凝土受拉,容易出现表面裂缝。最大拉应力出现在截面有拐角的地方,因此应特别注意这些部位的混凝土养护工作,采取合理有效的防裂控制措施防止发生

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