朱志强，徐春杰

（山东科技大学土木工程与建筑学院，山东　青岛　266590）

基于ANSYS的混凝土浇筑过程水化热分析

朱志强，徐春杰

（山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛266590）

大体积混凝土的浇筑过程不可避免的要面对水化热的问题，如果控制不好，过大的水化热往往导致混凝土出现裂缝。为此利用ANSYS模拟仿真混凝土的浇筑过程，对各类因素进行合理的模拟，热力学分析混凝土浇筑后不同层次的水化热，得出混凝土整个施工过程的水化热梯度分布，进而采用相应的温度应力控制措施避免裂缝的出现。这样在进行实际工程施工的时候就可作为一种可靠的设计以及检测参考。

混凝土；水化热；温度应力；ANSYS

0　引言

大体积混凝土的结构和尺寸都比较的大，并且在混凝土拌和后发生的水化反应为放热反应，热量向外部介质散发。加上混凝土表层温度的散失在混凝土内外形成稳定温度或稳定温度场，形成一个温差，在此温差超过一定的值时便会使混凝土开裂、产生裂缝。但是水化是水泥凝结硬化的前提，凝结硬化是水泥水化的结果［1］，所以水化放热是必须的过程。浇筑后混凝土的各种力学性能都在不断变化，如果想计算其早期的温度应力，就必须要对大体积混凝土模拟施工的过程，应提前进行详细的分析。在此采用ANSYS有限元分析软件对混凝土浇筑过程实行模拟仿真，得出一些具有工程实践意义的结论。

1　ANSYS结构热力学分析

1.1ANSYS热分析特点

通常来说，热分析是基于能量守恒原理的平衡方程［2］，对结构进行应力分析后还要计算出因为热膨胀或收缩造成的热应力。ANSYS中包括热对流、热传导、热辐射3种热传递方式。温度、热流率、对流、绝热、生热、热流密度、辐射是ANSYS热分析的边界条件或者初始条件［3］。ANSYS热力学分析包含瞬态传热和稳态传热两部分：瞬态传热的特点是整个温度场系统的响应必然随时间变化；而稳态传热的特点则是整个温度场系统的响应不随时间变化。ANSYS的热分析可以模拟混凝土的水化放热曲线进行过程监测。图1是硅酸盐水泥的水化放热曲线。

图1　硅酸盐水泥水化放热曲线

1.2ANSYS热分析的单元

ANSYS热分析单元包括热分析单元和表面效应单元，本文的热单元采用的是SOLID70单元，是由于考虑整个模拟分析过程决定的。SOLID70单元是8节点六面体单元，具有三个方向的热传导能力，并且每一个节点都只有一个温度自由度，这个单元可以用于瞬态的热分析和三维的稳态问题。表面效应单元可以增加单元的数量，但是不会增加节点数量，覆盖在实体单元的表面，能够更加灵活的定义表面荷载。

2　模拟仿真分析水化热

一基础的尺寸为100m×80m×10m，在上边要浇筑的混凝土的尺寸为50m×40m×4m，土壤和绝热面不进行热交换HFLUX=0。水化热公式为（t为时间变量）：

2.1ANSYS对浇筑的处理

材料的选取：混凝土的密度、比热容、膨胀系数要有明确的定义，浇筑前的材料和浇筑后的材料特性也要明确。混凝土是由多种不同性质的材料组成的，其力学性能、化学性能、物理性能等都有差异，并且这些差异还和时间因素有关［4］，因此要加入时间因素对材料特性的影响。比如混凝土的弹性模量，由下面的公式可以看出，混凝土的弹性模量是在随着时间的推移而变化的。

式中：A、B为试验常数，A一般为2.0左右，B约为300。表1、2是混凝土浇筑前和浇筑后的一些材料的特性。

浇筑前材料特性　表1

浇筑后材料特性　表2

计算时间的确定：对于大体积混凝土来说，因为对温度控制的要求和施工进度的安排，需要将其分块分层浇筑。因为是对混凝土水化热过程进行模拟仿真，所以就要根据实际工程中的顺序来进行施工，选择合适的荷载步，时间单位以天计算，并且也需要模拟实际的施工和停工对混凝土水化热产生的影响。模拟仿真施工的进程为施工1d，停工1d。

浇筑模型的确立：严格按照实际的混凝土浇筑顺序来进行模拟，可以将浇筑块设置为一个单元或多个单元，采用生死法来对浇筑单元进行处理，SOLID70单元模拟仿真混凝土与地基；在ANSYS中建立几何模型后将其划分为有限元模型，上层的混凝土划分为网格10（X）×4（Y）×10（Z），地基划分为网格20（X）×10（Y）×20（Z）。图2是有限元模型。

图2　ANSYS有限元分析模型

3　混凝土浇筑施工模拟

地基上的混凝土分为四层来进行浇筑，浇筑1d后歇工1d。指定采用完全牛顿-拉普森法，地基底的边界模拟条件是在基底节点上施加固定约束；施加空气对流系数和空气初始温度；然后定义混凝土浇筑时的初始温度，杀死混凝土单元。采用FullN-R法，按照时间先后的顺序来得出混凝土的水化热效应，绘制出每个施工阶段的浇筑节点热梯度分布图。

3.1浇筑第一层

激活第一层浇筑混凝土单元，对已浇筑的第一层混凝土施加与空气间的对流条件。第一层第一天的水化热，停工的第二天重新考虑水化热计算，，进入通用后处理器可以绘出混凝土第一层第一天和第二天的热梯度分布示意图，如图3、4所示。

图3　第一天浇筑节点热梯度分布图

图4　第二天浇筑节点热梯度分布图

3.2浇筑其它层

在浇筑第二层之前要删除第一层混凝土的对流条件，然后重新定义第二层的空气对流系数。在第三天时，需要考虑一、二层的水化热效应，施加第一层的水化热，然后施加第二层的水化热；第四天停工的时候，同样需要考虑一二层的水化热效应，第一层的水化热，第二层的水化热，同样可以得到第三天和第四天的水化热效应。三四层依次类推直到第八天停工，第七天和第八天的热梯度分布如图5、6所示。

3.3结果分析

通过对比图3～6能够清晰的看出，停工第二天的水化热梯度与第一天相比明显要小的多，特别是边界上的热量比混凝土内部要大得多。从温度的分布情况来看，中心部位升温最高。最先浇筑的一层因为可以向地基和空气中散发热量，所以和地基接触的面层温度比其它层要低，第四层与空气接触的混凝土层温度更低。

图5　第七天浇筑节点热梯度分布图

图6　第八天浇筑节点热梯度分布图

混凝土水化热导致的温度升高是随着板厚的增加而增加的，板内的水化反应放热引起的温度升高和温度降低过程都会在板上有先压后拉的应力变化，待温度稳定后会留下较大的拉应力。而如果混凝土的弹性模量始终保持不变的话就不会有残余应力，实际上混凝土的弹性模量是随着时间在不断增长的，到后期时其弹性模量已经较大了，拉应力在抵消压应力后仍残留拉应力。

4　结论

通过ANSYS对混凝土浇筑过程进行模拟仿真，对大体积混凝土浇筑过程中的温度变化和温度应力分布可以有一个很直观的了解，得到一些具有工程实践指导意义的结论。本例中，随着浇筑层数的增大，基地面上的温度慢慢减小，且混凝土内部的热梯度也比较小，说明温度还是比较均匀的，那么产生的裂缝自然也就较少，所以做好混凝土的温度控制是防止混凝土温度变化引起裂缝至关重要的措施。通过考虑分层次的进行浇筑对温度应力大小的分析，条件允许下优先采用费用低、实施简单、进度快、可能出现裂缝少的温控措施及浇筑施工布置。

［1］江见鲸，李杰，金伟良.高等混凝土结构理论［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007：12-16.

［2］苏荣华，梁冰.工程结构分析ANSYS应用［M］.沈阳：东北大学出版社，2012：259-261.

［3］杨长森.高层建筑底板混凝土温度场分析［J］.科学之友，2011（20）：84-85.

［4］龚召熊.水工混凝土的温控与防裂［M］.北京：中国水利水电出版社，2000：55-56.

［5］苗胜军，丛启龙，任奋华，方伟.基于ANSYS的大体积混凝土的水化热模拟研究［J］.四川建筑科学研究，2009，35（2）：194-195.

TU755.6

A

1007-7359（2016）04-0060-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.022

朱志强（1989-），男，山东泰安人，山东科技大学在读硕士，研究方向：结构工程。