abaqus在混凝土温度场和徐变温度应力场计算中的应用

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1、http://www.paper.edu.cnABAQUS在混凝土温度场和徐变温度应力场计算中的应用郑海远河海大学工程力学系，南京（210098）E-mail：zhenghaiyuan0412@yahoo.com.cn摘要：本文采用了有限元软件ABAQUS对某一水闸加固工程中新浇筑底板的非稳定温度场与徐变温度应力进行了计算，分析过程中采用了ABAQUS提供的用户子程序DFLUX和UMAT。将计算结果与现场实测的温度场和温度应力的结果进行了比较后表明ABAQUS的计算结果的精度较为理想，可以在混凝土温度场和温度应力等问题的计算中使用该软件。关键词：温度场，徐变温度应

2、力，二次开发，有限元1.引言在大体积混凝土结构中，温度变化不但可能引起裂缝，对结构的应力状态也具有重要影响，有时温度应力在数值上可能超过其他的外荷载引起的应力。温度应力分析，温度控制和防止裂缝的措施，是大体积混凝土结构设计与施工中十分重要的课题。对于实际工程中的温度场和温度应力的求解一般采用有限元法来进行求解。ABAQUS是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟[1]非常庞大复杂的模型，处理高度非线性的问题。为了了解ABAQUS在计算温度场和温度应力这一领域的精度，本文采用该有限元软件对某水闸加固工程中的新浇筑底板进行了温度场与温度应力的

3、计算，并且与工程现场的一些实测数据进行了验证比较。2.ABAQUS对水泥水化热的模拟水泥水化过程中放出的热量称为水泥的水化热。水泥的水化热是影响混凝土温度应力的一个重要因素，水泥的水化热可以用以下三种表达式：−mτ指数式：Q(τ)=Q(1−e)（1）0双曲线式：Q(τ)=Qτ/(n+τ)（2）0b−aτ复合指数式：Q(τ)=Q(1−e)（3）0式中：Q(τ)为在龄期τ时的累积水化热,kJ/kg；Q为τ→∞时的最终水化热，kJ/kg；0[2]τ为龄期，d；ｍ、ｎ、ａ、ｂ等为常数。本文通过ABAQUS提供的Bodyheatflux对混凝土水化热进行赋值。Bodyhea

4、tflux功能中提供了两种赋值方式，一种为常量赋值，另外一种为根据户自定义的子程序DFLUX方式。本文采用后者实现水化热的赋值。3.ABAQUS中徐变应力的计算实验资料表明，当应力保持为常量时，混凝土的应变将随着时间而有所增加，这种现象称为混凝土的徐变。在大体积混凝土的温度应力计算过程中，都要考虑徐变应力的计算。ABAQUS没有直接提供混凝土徐变应力计算这一功能，但是可以通过子程序UMAT来实现-1-http://www.paper.edu.cn这一功能。计算时刻t的徐变温度应力可按照下式计算：n*σ()tK=∑στir(,)ti（4）t=1式中：t为计算时刻的

5、混凝土龄期；τ为混凝土在i时段中点的龄期；Kt(,)τ为混凝土的iri[3]应力松弛系数。在子程序UMAT中通过状态变量STATEV来储存每个计算步中的温度应力增量、应力松弛系数以及徐变温度应力。4.工程算例某水闸加固工程采用上游接长底板和闸墩方案，底板厚度2米，齿坎在底板以下深度2.5米，垂直水流方向长度23.8米，为增强闸室整体性，发挥接长部分的抗滑作用，底板新老混凝土之间采用大量锚固钢筋连接。混凝土参数见表1。表1水闸浇筑砼配合比强度每方砼用量（kg）水灰石子粒径坍落度等级水泥砂石子水比（mm）C25382627121619550～700.515～31.5[

6、3]因缺乏试验资料，本文计算采用的水化热放热过程为推荐的复合指数式n−mτQQe()τ=−(1)（5）0[3]式中τ为混凝土龄期（d），Q为单位水泥质量的热值，根据,普通硅酸盐水泥m=0.69,0n=0.56。混凝土弹性模量增长过程按照推荐的指数式，式中参数见表2β−γτEEe()τα=−(1)（6）28表2混凝土弹模增长参数混凝土等级E(Kpa)αγβ287C252.8×101.440.410.32接长水闸底板的有限元模型如图1所示：-2-http://www.paper.edu.cn图1接长底板部分的有限元模型5.计算结果以及与现场实测结果的比较计算结果包括了

7、从接长底板浇筑开始到工后的45天的温度场和应力场的变化过程。图2为计算的新浇筑底板的时程曲线，取点位置位于新浇筑1/2底板截面处（与工程现场实测温度场测点位置接近），三个测点的深度分别从底板上表面向下延伸，到底板上表面的大概距离分别为50cm、80cm、120cm。从图2可以看出底板浇筑后大概在第五天的时候温度达到最高，为46℃。而在图3中，现场实测的数据显示在第三天的时候温度达到最高，为47℃。从温度场的计算结果与实测数据的比较来看，ABAQUS的计算结果较为理想，与实际情况较为接近。从图4可以看出第五天是底板1/2截面处温度的分布情况。图2计算的新浇筑闸底板混

8、凝土内部温