朱志強，徐春杰

（山東科技大學土木工程與建筑學院，山東　青島　266590）

基于ANSYS的混凝土澆筑過程水化熱分析

朱志強，徐春杰

（山東科技大學土木工程與建筑學院，山東青島266590）

大體積混凝土的澆筑過程不可避免的要面對水化熱的問題，如果控制不好，過大的水化熱往往導致混凝土出現(xiàn)裂縫。為此利用ANSYS模擬仿真混凝土的澆筑過程，對各類因素進行合理的模擬，熱力學分析混凝土澆筑后不同層次的水化熱，得出混凝土整個施工過程的水化熱梯度分布，進而采用相應的溫度應力控制措施避免裂縫的出現(xiàn)。這樣在進行實際工程施工的時候就可作為一種可靠的設計以及檢測參考。

混凝土；水化熱；溫度應力；ANSYS

0　引言

大體積混凝土的結構和尺寸都比較的大，并且在混凝土拌和后發(fā)生的水化反應為放熱反應，熱量向外部介質散發(fā)。加上混凝土表層溫度的散失在混凝土內(nèi)外形成穩(wěn)定溫度或穩(wěn)定溫度場，形成一個溫差，在此溫差超過一定的值時便會使混凝土開裂、產(chǎn)生裂縫。但是水化是水泥凝結硬化的前提，凝結硬化是水泥水化的結果［1］，所以水化放熱是必須的過程。澆筑后混凝土的各種力學性能都在不斷變化，如果想計算其早期的溫度應力，就必須要對大體積混凝土模擬施工的過程，應提前進行詳細的分析。在此采用ANSYS有限元分析軟件對混凝土澆筑過程實行模擬仿真，得出一些具有工程實踐意義的結論。

1　ANSYS結構熱力學分析

1.1ANSYS熱分析特點

通常來說，熱分析是基于能量守恒原理的平衡方程［2］，對結構進行應力分析后還要計算出因為熱膨脹或收縮造成的熱應力。ANSYS中包括熱對流、熱傳導、熱輻射3種熱傳遞方式。溫度、熱流率、對流、絕熱、生熱、熱流密度、輻射是ANSYS熱分析的邊界條件或者初始條件［3］。ANSYS熱力學分析包含瞬態(tài)傳熱和穩(wěn)態(tài)傳熱兩部分：瞬態(tài)傳熱的特點是整個溫度場系統(tǒng)的響應必然隨時間變化；而穩(wěn)態(tài)傳熱的特點則是整個溫度場系統(tǒng)的響應不隨時間變化。ANSYS的熱分析可以模擬混凝土的水化放熱曲線進行過程監(jiān)測。圖1是硅酸鹽水泥的水化放熱曲線。

圖1　硅酸鹽水泥水化放熱曲線

1.2ANSYS熱分析的單元

ANSYS熱分析單元包括熱分析單元和表面效應單元，本文的熱單元采用的是SOLID70單元，是由于考慮整個模擬分析過程決定的。SOLID70單元是8節(jié)點六面體單元，具有三個方向的熱傳導能力，并且每一個節(jié)點都只有一個溫度自由度，這個單元可以用于瞬態(tài)的熱分析和三維的穩(wěn)態(tài)問題。表面效應單元可以增加單元的數(shù)量，但是不會增加節(jié)點數(shù)量，覆蓋在實體單元的表面，能夠更加靈活的定義表面荷載。

2　模擬仿真分析水化熱

一基礎的尺寸為100m×80m×10m，在上邊要澆筑的混凝土的尺寸為50m×40m×4m，土壤和絕熱面不進行熱交換HFLUX=0。水化熱公式為（t為時間變量）：

2.1ANSYS對澆筑的處理

材料的選?。夯炷恋拿芏取⒈葻崛?、膨脹系數(shù)要有明確的定義，澆筑前的材料和澆筑后的材料特性也要明確?；炷潦怯啥喾N不同性質的材料組成的，其力學性能、化學性能、物理性能等都有差異，并且這些差異還和時間因素有關［4］，因此要加入時間因素對材料特性的影響。比如混凝土的彈性模量，由下面的公式可以看出，混凝土的彈性模量是在隨著時間的推移而變化的。

式中：A、B為試驗常數(shù)，A一般為2.0左右，B約為300。表1、2是混凝土澆筑前和澆筑后的一些材料的特性。

澆筑前材料特性　表1

澆筑后材料特性　表2

計算時間的確定：對于大體積混凝土來說，因為對溫度控制的要求和施工進度的安排，需要將其分塊分層澆筑。因為是對混凝土水化熱過程進行模擬仿真，所以就要根據(jù)實際工程中的順序來進行施工，選擇合適的荷載步，時間單位以天計算，并且也需要模擬實際的施工和停工對混凝土水化熱產(chǎn)生的影響。模擬仿真施工的進程為施工1d，停工1d。

澆筑模型的確立：嚴格按照實際的混凝土澆筑順序來進行模擬，可以將澆筑塊設置為一個單元或多個單元，采用生死法來對澆筑單元進行處理，SOLID70單元模擬仿真混凝土與地基；在ANSYS中建立幾何模型后將其劃分為有限元模型，上層的混凝土劃分為網(wǎng)格10（X）×4（Y）×10（Z），地基劃分為網(wǎng)格20（X）×10（Y）×20（Z）。圖2是有限元模型。

圖2　ANSYS有限元分析模型

3　混凝土澆筑施工模擬

地基上的混凝土分為四層來進行澆筑，澆筑1d后歇工1d。指定采用完全牛頓-拉普森法，地基底的邊界模擬條件是在基底節(jié)點上施加固定約束；施加空氣對流系數(shù)和空氣初始溫度；然后定義混凝土澆筑時的初始溫度，殺死混凝土單元。采用FullN-R法，按照時間先后的順序來得出混凝土的水化熱效應，繪制出每個施工階段的澆筑節(jié)點熱梯度分布圖。

3.1澆筑第一層

激活第一層澆筑混凝土單元，對已澆筑的第一層混凝土施加與空氣間的對流條件。第一層第一天的水化熱，停工的第二天重新考慮水化熱計算，，進入通用后處理器可以繪出混凝土第一層第一天和第二天的熱梯度分布示意圖，如圖3、4所示。

圖3　第一天澆筑節(jié)點熱梯度分布圖

圖4　第二天澆筑節(jié)點熱梯度分布圖

3.2澆筑其它層

在澆筑第二層之前要刪除第一層混凝土的對流條件，然后重新定義第二層的空氣對流系數(shù)。在第三天時，需要考慮一、二層的水化熱效應，施加第一層的水化熱，然后施加第二層的水化熱；第四天停工的時候，同樣需要考慮一二層的水化熱效應，第一層的水化熱，第二層的水化熱，同樣可以得到第三天和第四天的水化熱效應。三四層依次類推直到第八天停工，第七天和第八天的熱梯度分布如圖5、6所示。

3.3結果分析

通過對比圖3～6能夠清晰的看出，停工第二天的水化熱梯度與第一天相比明顯要小的多，特別是邊界上的熱量比混凝土內(nèi)部要大得多。從溫度的分布情況來看，中心部位升溫最高。最先澆筑的一層因為可以向地基和空氣中散發(fā)熱量，所以和地基接觸的面層溫度比其它層要低，第四層與空氣接觸的混凝土層溫度更低。

圖5　第七天澆筑節(jié)點熱梯度分布圖

圖6　第八天澆筑節(jié)點熱梯度分布圖

混凝土水化熱導致的溫度升高是隨著板厚的增加而增加的，板內(nèi)的水化反應放熱引起的溫度升高和溫度降低過程都會在板上有先壓后拉的應力變化，待溫度穩(wěn)定后會留下較大的拉應力。而如果混凝土的彈性模量始終保持不變的話就不會有殘余應力，實際上混凝土的彈性模量是隨著時間在不斷增長的，到后期時其彈性模量已經(jīng)較大了，拉應力在抵消壓應力后仍殘留拉應力。

4　結論

通過ANSYS對混凝土澆筑過程進行模擬仿真，對大體積混凝土澆筑過程中的溫度變化和溫度應力分布可以有一個很直觀的了解，得到一些具有工程實踐指導意義的結論。本例中，隨著澆筑層數(shù)的增大，基地面上的溫度慢慢減小，且混凝土內(nèi)部的熱梯度也比較小，說明溫度還是比較均勻的，那么產(chǎn)生的裂縫自然也就較少，所以做好混凝土的溫度控制是防止混凝土溫度變化引起裂縫至關重要的措施。通過考慮分層次的進行澆筑對溫度應力大小的分析，條件允許下優(yōu)先采用費用低、實施簡單、進度快、可能出現(xiàn)裂縫少的溫控措施及澆筑施工布置。

［1］江見鯨，李杰，金偉良.高等混凝土結構理論［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：12-16.

［2］蘇榮華，梁冰.工程結構分析ANSYS應用［M］.沈陽：東北大學出版社，2012：259-261.

［3］楊長森.高層建筑底板混凝土溫度場分析［J］.科學之友，2011（20）：84-85.

［4］龔召熊.水工混凝土的溫控與防裂［M］.北京：中國水利水電出版社，2000：55-56.

［5］苗勝軍，叢啟龍，任奮華，方偉.基于ANSYS的大體積混凝土的水化熱模擬研究［J］.四川建筑科學研究，2009，35（2）：194-195.

TU755.6

A

1007-7359（2016）04-0060-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.022

朱志強（1989-），男，山東泰安人，山東科技大學在讀碩士，研究方向：結構工程。