楊長森
(青海新高度房地產(chǎn)投資有限公司,青海 西寧 810000)
在高層建筑中出現(xiàn)大體積混凝土結構的部位主要是基礎底板。這種底板的面積較大,厚度也在80 cm以上,最厚處可達5~6 m?;A底板澆筑后,在內部水化熱和外部環(huán)境溫度變化的影響下,混凝土結構各處溫度時時發(fā)生變化,其內部最高溫度將達到50~80 ℃,與外界氣溫相差很大。如果不采取一定的措施,混凝土很容易開裂,影響結構的整體性并造成地下水滲漏,進一步影響結構的耐久性,給整個工程帶來極其嚴重的危害。
混凝土熱分析不僅是預測混凝土溫度變化的必要方法,同時也是計算混凝土溫度應力的前提條件。由于早期混凝土各項熱性能都時時發(fā)生變化,同時環(huán)境等因素也時時在變化,因此,混凝土早期熱分析是一個較為復雜的問題。ANSYS軟件雖具有專門的熱分析模塊,適用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù),如熱量獲取或損失、溫度梯度、熱流密度等,但當運用在混凝土早期熱分析這一特定問題時,尚需開展一定的研究。[1]
ANSYS熱分析基于能量守恒原理和熱平衡方程,通過施加溫度、熱流率、熱流密度、對流、輻射、絕熱和生熱等邊界條件和初始條件,求解即可得到節(jié)點的溫度、溫度梯度、熱流率等結果。
ANSYS熱分析過程可分為3個步驟,前處理(建模)、加載求解(施加荷載并計算)和后處理(查看結果)。在建模階段,主要工作為定義單元類型并設置關鍵選項,定義單元實常數(shù),定義材料熱性能,建立幾何模型,對幾何模型劃分網(wǎng)格。在加載求解階段,主要工作為定義分析類型,獲得瞬態(tài)熱。
分析的初始條件,設定荷載步選項和存盤求解。在后處理階段,主要工作為查看計算結果,ANSYS提供了通用后處理(POST1)和時間后處理(POST26)兩種。在POST1模塊中,可以對整個模型在某一荷載步的結果進行后處理,對結果進行彩色云圖顯示、矢量圖顯示、打印列表等,如果設定的時間點不在任何一個子步的時間點上,ANSYS會進行線性插值。在POST26模塊中,可以繪制計算結果隨時間變化的曲線。
混凝土早期熱分析施加荷載常用命令見表 1,其中施加生熱量較為復雜。早期混凝土由于水化反應產(chǎn)生大量水化熱,在ANSYS中模擬混凝土早期溫度場時,水化熱量作為荷載輸入,由于每個時刻產(chǎn)生的熱量不同,因此首先要將不同時刻的生熱量做成數(shù)組,在bf命令中使用%tabname%(tabname為數(shù)組名)施加隨時間變化的生熱量。另外,還可以采用 UPFs進行二次開發(fā),修改Usrefl.F程序(主要參數(shù)見表2)。Usrefl.F程序可用于標量場(溫度、生熱量、濕度等)荷載的修改和施加,該程序中的key參數(shù)用于確定具體修改哪個物理量,當key=3時,輸入的物理量為放熱量,將其寫成荷載步的函數(shù),在每一個迭代步中都會調用該子程序,從而施加水化熱量。[2]
表1 熱分析施加荷載常用命令
表2 USREFL.F參數(shù)說明
為了驗證 ANSYS有限元計算結果的正確性,選取了有理論解的算例與有限元計算結果進行對比。[3]
算例:處于絕熱溫升狀態(tài)立方體混凝土塊尺寸為10 m×10 m×10 m,初始溫度為150 ℃,混凝土的絕熱溫升方程為θ=30(1-e-0.34τ),其中齡期τ單位為 d,導溫系數(shù)α=0.004 m2/h,導熱系數(shù)λ=10.76 kJ/(m·h·℃),比熱 c=1.00 kJ/(kg·℃)。ANSYS求解所得結果見圖1,兩種計算結果比較見表3。從計算結果看,ANSYS的計算結果與理論值基本相同。
表3 理論解與ANSYS解比較
兩幢12層和26層高的辦公樓,設有一個單層地下停車場,總建筑面積約為46 056 m2,地下室底板平均厚度2.5 m,電梯井處最厚達 3.6 m,屬典型大體積混凝土結構;地下室側墻厚400 mm,高6 m,周長400多m,屬典型超長薄壁結構。根據(jù)大體積混凝土澆筑方案和某商品混凝土公司提供的配合比情況,按施工計劃地下室基底板共設三條后澆帶,A樓深基礎及B1-B4,BE-BF部位大底板,自然分成5個區(qū)域,根據(jù)區(qū)域順序先后及基底施工順序,先深后淺、逐漸按劃分區(qū)域展開分別澆筑鹼。其中5號區(qū)域底板最厚,達3.4 m。第1區(qū)域混凝土分兩次澆筑,第一次澆1.6 m,第二次澆1.8 m,兩次間隔時間約4 d。采用ANSYS進行有限元分析。首先建立有限元模型見圖2,有限元分析結果與實測結果比較見圖3~圖5,從圖分析,除混凝土表面溫度用環(huán)境影響變化比較突然外,其他各點有限元分析結果與測試結構基本一致。
圖2 底板有限元模型
ANSYS軟件是國際著名的通用有限元軟件,是第一個通過ISO 9001質量認證的大型分析設計類軟件,是美國機械工程師協(xié)會(ASME)、美國核安全局(NQA)及近二十種專業(yè)技術協(xié)會認證的標準分析軟件。ANSYS雖然通用性很強,但是在計算早期混凝土結構溫度場、溫度應力場這一特定問題時略顯不足,[4]不能直接求解,需要人為地編程干預并進行開發(fā)?;贏NSYS的二次開發(fā)功能,編寫適用于混凝土早期溫度計算的模塊,充分利用 ANSYS的前后處理功能,減少軟件開發(fā)的工程量,模擬混凝土早期溫度變化過程,對大體積混凝土溫度控制具有重要的意義。
圖3 1-1號測溫點溫度實測與模擬計算
圖4 1-2號測溫點溫度實測與模擬計算
圖5 1-3號測溫點溫度實測與模擬計算
1 祝效華.ANSYS高級工程有限元分析范例精選[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004:26~43
2 李驍春.基于數(shù)值分析和工程經(jīng)驗的現(xiàn)代大體積砼裂縫控制實用技術[J].河海大學,2008
3 李曉春、昊勝興.基于水化度概念的早期混凝土熱分析[J].科學技術與工程,2008(2):441~445
4 李袋春、吳勝興.基于ALYSYS的混凝土早期徐變應力仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學報,2008(15):3944~3947