计算混凝土湿热耦合变形的解析-有限元结合解法

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1、计算混凝土湿热耦合变形的解析－有限元结合解法陈德鹏基金项目：国家自然科学基金(50539040);中国博士后科学基金(20100471395)资助项目.作者简介：陈德鹏*(1978-),男,副教授,在站博士后(E-mail:dpchen.seu@163.com);钱春香(1966-),女,教授,博士生导师;缪昌文(1957-),男,研究员级高级工程师,博士生导师;刘加平(1967-),男,研究员级高级工程师,博士生导师.1,2，钱春香3，缪昌文1，刘加平1(1.江苏省建筑科学研究院有限公司博特新材料研发中心,南京210008;2.安徽工业大学建筑工程学院,马鞍山243002;3.东南

2、大学材料科学与工程学院,南京211189)摘要：本文根据混凝土的多孔介质特点和多孔介质湿热传输理论，给出了一种计算混凝土湿热耦合变形的解析－有限元结合解法。该方法的计算过程包括“温湿度分布的解析法求解”、“湿度分布向湿度应力转换的公式计算”和“湿热耦合变形的有限元分析”三部分。文章同时介绍了基于VisualBasic调用Matlab和ANSYS的编程策略通过混合编程开发的混凝土湿热耦合计算分析程序CTMSoft。根据本文提出的解析－有限元结合解法，利用自行开发的CTMSoft程序对实际工程结构混凝土变形进行了数值计算，与现场实测及光纤光栅监测结果的对比分析表明了该计算方法和程序的合理

3、性和有效性。关键词：湿热耦合；混凝土变形；解析－有限元结合解法；数值模拟中图分类号：TU528.011引言混凝土变形有其湿热变化本质，而且混凝土的温度变形和干湿变形通常是同时发生的，混凝土内部的温度场和湿度场也是相互影响、相互作用的[1,2]。国际著名混凝土专家Bazant教授很早就曾明确指出混凝土收缩是一种湿热变形（hygrothermaldeformation）[3]。因此，温湿度变化及其耦合作用对混凝土内部温湿度分布及变化规律的影响，决定着混凝土的体积变形的发展，也极大影响着混凝土耐久性及使用寿命，研究混凝土体积变形必须考虑温湿度变化的耦合作用。混凝土是一种典型的多孔介质材料，

4、基于多孔介质传热传质理论对混凝土的传输、变形及耐久性能进行研究已经是目前混凝土研究的主要热点之一[4-8]。以Bazant[3]、Gawin[9]、Meschke[10]等为代表的众多研究者对混凝土应力及变形的研究也都建立在多孔介质传热传质理论的基础上；刘光廷等对混凝土温度场和湿度场的计算模拟研究也是基于混凝土的多孔介质特性而开展的[11]；李荣涛等[12]基于多孔介质相关原理对高温下混凝土中化学－热－湿－力学耦合过程的数值模拟及破坏进行了研究；陈松等[7]考虑水分对混凝土徐变重要影响，基于多孔介质理论对混凝土的徐变力学行为进行了研究。结合以往混凝土湿热耦合计算的研究成果可以发现，实

5、现对混凝土湿热耦合作用进行数值模拟分析的主要有四种可能方法：①基于多孔介质热、质迁移的唯象热力学方法；②以Luikov传热传质耦合方程为基础的数值分析方法；③有限元分析方法。④多物理场耦合分析软件。因受试验条件和许多材料参数的影响，唯象学分析方法难以在实际中应用于混凝土[13]；以Luikov传热传质方程为基础的解析法在求解温湿度耦合过程中，要么由于存在很难计算的复杂特征值而得不到结果，要么在控制方程和边界条件同时耦合时无能无力，要么准确性欠佳难以反映出多孔介质内的温湿度分布，用传递函数对耦合传输进行求解的方法则可行[14]，但对于温、湿度同时变化的问题，解析过程将非常复杂；对于第三

6、种方法，目前用主流的商业有限元软件无法直接计算析混凝土中的湿度应力及变形。而对于号称能够实现多物理场耦合的、基于偏微分方程建立的有限元软件FEMLAB和FEPG（飞箭），能否用来对混凝土中湿热传输耦合作用进行模拟分析、能否简单易行的直接实现湿热耦合变形分析，还有待于相关实践的验证。本文根据解析法和有限单元法在计算混凝土湿热耦合变形时的优缺点，考虑解析法和有限单元法计算软件间的混合编程可能性，提出采用数值解析法与有限元分析相结合的方法对混凝土湿热耦合变形进行计算。2解析－有限元结合解法2.1解析－有限元结合解法的方法体系用以计算混凝土湿热耦合变形的解析－有限元结合解法，主要是基于较为成

7、熟的多介质湿热传输理论以及有限元计算混凝土变形时难以处理湿度引起的应力及变形而提出的。在解析－有限元结合解法体系中，主要包括温湿度场的解析求解和湿热耦合变形的有限元分析两部分。此外，由于有限元软件难以处理湿度分布引起的应力与变形，进行有限元分析前采用理论公式将湿度分布进行应力转化。因此，混凝土湿热耦合变形模拟的整个过程主要分三步：首先基于多孔介质湿热传输，以Luikov传热传质方程为基础，利用解析法求得耦合作用下的温、湿度分布；然后根据描述混凝土干湿变形机