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        基于ABAQUS的混凝土溫度場模擬方法

        2021-03-05 06:32:12孫繞忠朱文兵溫衛(wèi)軍王啟桃
        工程與建設(shè) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:有限元混凝土

        孫繞忠, 高 鵬, 朱文兵, 崔 璨, 溫衛(wèi)軍, 林 鑫, 王啟桃

        (1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.中國建筑第八工程局有限公司,上海 200120;3.合肥離子醫(yī)學(xué)中心,安徽 合肥 230088)

        0 引 言

        大體積混凝土在澆筑完后,由于水泥的水化作用會釋放出大量的熱量,混凝土受熱膨脹會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生和擴散進而破壞混凝土結(jié)構(gòu)。因此不少研究者通過理論計算和數(shù)值模擬來評估大體積混凝開裂的風(fēng)險,魏尊祥等[1]利用有限元軟件ANSYS對橋梁承臺進行溫度場分析;譚昱等[2]在考慮預(yù)埋水冷管的前提下,利用ANSYS進行港珠澳大橋承臺的溫度場研究;劉亞朋等[3]使用MIDAS建立某筏板基礎(chǔ)有限元模型,分析不同入模溫度及保溫措施下的大體積混凝土溫度場分布。朱希文等[4]使用COMSOL軟件分析不同粉煤灰摻量下的大體積混凝土溫度場變化。

        本文以實際工程為例,對溫度監(jiān)測值進行分析,驗證其降溫速率、里表溫差和表外溫差是否超過大體積混凝土規(guī)范[5]規(guī)定的限值;建立有限元模型,導(dǎo)入混凝土水化熱子程序HETVAL進行溫度場模擬,并與現(xiàn)場監(jiān)測值對比,分析子程序的可行性。

        1 ABAQUS建模步驟

        在有限元軟件中,ABAQUS功能強大,擁有大量材料模型與單元模型,可以進行復(fù)雜工程的模擬仿真,而通過ABAQUS無法直接實現(xiàn)的功能,軟件提供了用戶子程序接口,用戶可通過Fortran語言對子程序進行編輯,自定義材料屬性、荷載及邊界條件等計算條件。本文使用FORTRAN語言編寫用戶子程序,基于ABAQUS平臺進行二次開發(fā),通過用戶子程序接口HETVAL實現(xiàn)大體積混凝土生熱。具體的建模步驟如圖1所示,首先根據(jù)實際工程建立有限元模型,編寫水化熱子程序,采用熱傳遞分析步,固定分析部時長并設(shè)置步長為天或者小時,針對不同混凝土表面計算放熱系數(shù),最后劃分網(wǎng)格定義單元類型為DC3D8,此時導(dǎo)入子程序提交作業(yè)得到溫度場。

        圖1 建模步驟

        2 關(guān)鍵參數(shù)

        2.1 混凝土水化熱

        目前國內(nèi)外計算混凝土水化熱的模型中,朱伯芳[6]根據(jù)改進提出雙指數(shù)式,如式(1),它既能與試驗資料吻合得較好,又便于進行微分、積分等數(shù)學(xué)運算,實用價值較大。

        θ(t)=θ0[1-e-at]

        (1)

        式中:θ(t)為齡期為t時的混凝土水化熱,kJ/kg;θ0為混凝土總水化熱量,kJ/kg;t為齡期,d;a和b為常數(shù)。

        2.2 邊界條件

        結(jié)構(gòu)的散熱邊界條件同樣重要,邊界條件由文獻[7]可知,引入等效放熱系數(shù)的方法將保溫層與空氣接觸設(shè)為第三類邊界條件。混凝土澆筑體上表面采取保溫措施,保溫層厚度和散熱系數(shù)按大體積混凝土規(guī)范[5]公式計算。

        2.3 初始溫度場

        在混凝土的溫度場分析中,需要定義混凝土澆筑開始時的初始狀態(tài),即結(jié)構(gòu)的初始溫度,初始溫度對混凝土峰值溫度和表面溫度影響較大。

        3 實例分析

        3.1 構(gòu)件概況

        合肥離子醫(yī)學(xué)中心是一所采用質(zhì)子射線放療惡性腫瘤的醫(yī)院。治療系統(tǒng)中產(chǎn)生的高能質(zhì)子輻射穿透力強,需要通過足夠密實度和厚度的混凝土來屏蔽射線輻射,因此治療設(shè)備對于混凝土裂縫控制的要求非常嚴格。為確保工程質(zhì)量,驗證大體積混凝土工程澆筑、施工縫的設(shè)置和模板安裝等工作的合理性,選擇了射線入口處的1.65 m厚墻和管網(wǎng)最密集的底板區(qū)域,在現(xiàn)場進行1∶1澆筑。如圖2所示,試塊分為兩部分,下部底板尺寸為4.8 m×4.4 m×3 m,上部墻體尺寸為4.8 m×1.65 m×3 m。

        圖2 試塊尺寸

        為保證混凝土澆筑質(zhì)量,采用熱敏電阻型溫度傳感器監(jiān)測試塊下部混凝土中的溫度變化。監(jiān)測點如圖3所示,H2位試塊下部的中心點,根據(jù)規(guī)范[5]要求,減少環(huán)境溫度的影響,將H1、H3、W1、W4和L1監(jiān)測點布置在距離混凝土表面10 cm處,W2位于W1和H2中間,W3位于W4和H2中間,L2位于L1和H2中間,同時設(shè)置環(huán)境溫度監(jiān)測點。測溫每半個小時記錄一次數(shù)據(jù),自混凝土入模至混凝土溫度與環(huán)境溫度相近為止。

        圖3 溫度監(jiān)測點布置

        3.2 模型建立

        3.2.1 材料參數(shù)

        工程現(xiàn)場澆筑采用標號為PO42.5的普通硅酸鹽水泥,為精準控制水化放熱與齡期的函數(shù)關(guān)系,選擇雙指數(shù)式,查閱《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》[7]得出相關(guān)參數(shù),θ0為330kJ,a和b分別為0.69和0.56。最后確認混凝土放熱模型如式(2):

        θ(t)=330(1-e-0.69t0.56)

        (2)

        使用FORTRAN語言將式(2)編寫成水化熱子程序HETVAL。

        3.2.2 邊界條件處理

        采用塑料薄膜和土工布作為養(yǎng)護時的構(gòu)件表面覆蓋材料,但0.5 mm厚的塑料薄膜是為防止混凝土表面水分流失,其保溫作用忽略不計。計算得底板的保溫層厚度和散熱系數(shù)為83 mm和0.549 W/(m2·℃);墻體的保溫層厚度和散熱系數(shù)為63 mm和0.781 W/(m2·℃);工程中的水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件均采用15 mm厚覆膜膠合板,木模板導(dǎo)熱系數(shù)為0.23 W/(m·℃),計算得15 mm厚模板散熱系數(shù)為11.89 W/(m2·℃)。

        如圖4所示,將現(xiàn)場監(jiān)測點的溫度作為初始溫度場。

        圖4 環(huán)境溫度

        3.2.3 網(wǎng)格劃分

        根據(jù)試塊尺寸在ABAQUS中建立三維模型,為方便與監(jiān)測點溫度比較,使用熱分析步并固定分析步步長為一,將單元設(shè)為DC3D8(八結(jié)點線性傳熱六面體單元),最后導(dǎo)入水化熱子程序HETVAL,進行有限元分析。

        3.3 有限元結(jié)果分析

        如圖5所示,將監(jiān)測值與模擬值相比較,內(nèi)部中心測點H2模擬與監(jiān)測溫度的上升段較吻合。圖6為試塊出現(xiàn)峰值溫度時的剖面云圖,模擬和監(jiān)測最高溫度均出現(xiàn)在第六天,最高溫度分別為41.4 ℃和41 ℃,僅相差0.4 ℃;溫度下降段中模擬值降溫速率稍大于監(jiān)測值,但差距均控制在2.3 ℃以內(nèi),同時降溫速率小于2 ℃/d。

        監(jiān)測點W2和W3關(guān)于H2對稱,測點W3模擬和監(jiān)測的峰值溫度均為39.2 ℃,降溫階段前期誤差在1 ℃以內(nèi),后期模擬值略小于監(jiān)測值;測點W2模擬的最高溫度比監(jiān)測值高1.6 ℃,降溫階段模擬值降溫速率大于監(jiān)測值,模擬溫度值和監(jiān)測點溫度差值在5 ℃以內(nèi),最大誤差為6.4%,測點W2距離外表面近,實際現(xiàn)場的可變性較大,所以認為模擬值和監(jiān)測值的差值在合理的范圍內(nèi)。

        圖5 內(nèi)部監(jiān)測點溫度

        圖6 第6天溫度剖面云圖

        如圖7所示為表面測點模擬與監(jiān)測溫度對比,測點H3的模擬最高溫度比監(jiān)測最高溫度高1 ℃,測點L1的模擬最高溫度比監(jiān)測最高溫度低1.1 ℃,測點H3的模擬最高溫度比監(jiān)測最高溫度高1 ℃,測點W1的模擬最高溫度與監(jiān)測值較為接近;3個表面監(jiān)測點溫度下降段趨勢保持一致,測點L1溫度下降速率大于監(jiān)測值,是由于L1監(jiān)測點所在側(cè)面受陽光照射時間長,表面溫度高導(dǎo)致散熱慢,測點L1模擬值最后和環(huán)境溫度保持一致。

        根據(jù)內(nèi)部中心點溫度和混凝土表面溫度差值可得混凝土的里表溫差,模擬最大里表溫差為19.5 ℃,監(jiān)測最大里表溫差為19.1 ℃;混凝土表面溫度與環(huán)境溫度差值為表外溫差,模擬最大表外溫差為24.2 ℃,監(jiān)測最大表外溫差為24.8 ℃;里表溫差和表外溫差均未超過規(guī)范[5]要求的20 ℃和25 ℃。

        圖7 表面監(jiān)測點溫度

        4 結(jié) 論

        (1)由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部混凝土水化熱的累積,大體積混凝土最高溫度一般出現(xiàn)在中心位置的第六天;而混凝土表面的散熱較快,導(dǎo)致溫度累積效果減弱,最高溫度一般出現(xiàn)在第四或第五天,且受保溫層的影響較大。

        (2)子程序HETVAL能很好的實現(xiàn)水化放熱過程,升溫階段模擬值和監(jiān)測值基本保持一致,內(nèi)部測點和表面測點的模擬最高溫度與監(jiān)測值較吻合,誤差控制在1.6 ℃以內(nèi);降溫階段的溫度數(shù)值與混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和混凝土表面的保溫層有關(guān),由于施工現(xiàn)場的可變性,模擬值與監(jiān)測值誤差達到5 ℃,但降溫趨勢一致,且均未超過2 ℃/d。

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