midas civil水热化分析

课题背景及任务来源随着我国交通事业的迅速发展，大跨度桥梁大量出现，在桥梁中大体积混凝土承台、锚碇、塔等亦随之大量出现。

目前所生产的水泥放热速度较过去大为提高，这使得大体积混凝土的温度裂缝问题日益突出，已成为普遍性的问题。

大体积混凝土在固化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和约束作用，由此而产生的温差和温度应力是导致混凝土出现裂缝的主要因素，从而影响结构的整体性、防水性和耐久性，成为结构的隐患。

因此大体积混凝土在施工中必须考虑裂缝控制。

大体积混凝土温度裂缝问题十分复杂，涉及到结构、建筑材料、施工、环境等多方面因素，工程建设领域目前对桥梁中所使用的大体积混凝土的研究还不够深入、全面，相关的规范条文还不够完善，对很多工程实践中的问题只能依靠经验处理，缺乏适当的理论依据，这会造成许多不必要的人力、物力、财力的浪费，大体积混凝土施工质量控制的结果也不很理想。

在总结大体积混凝土温度裂缝产生的原因的基础上，本文结合邕江四线特大桥，以及对承台试块的模拟试验，研究分析了大体积混凝土内部温度场和温度应力变化的规律和工程中采用的温控措施的实际效果。

本文在大体积混凝土工程中所采用的温度监测和裂缝控制措施，为今后同类工程施工提供了有用信息，也为今后开展深入的理论研究提供了试验和理论参考依据。

组成结构通过midas来模拟大体积混凝土在水化热情况下温度与应力应变的变化，并且通过不加冷水管和加冷水管的情况下进行对比分析，并得出相应的结果。

功能与技术能够直观的看到混凝土内部在水化热的情况下温度随时间的变化，并且通过精确的数值进行分析。

从而使我们对水化热有进一步的认识，进而通过温度变化趋势分析混凝土可能会产生的裂缝的位置，从而提前做好防护措施，尽可能是裂缝降到最小。

成果的主要特点通过对大体积混凝土水化热的分析，我们能更加深入的了解混凝土内部温度度的变化情况，从而对混凝土浇筑﹑养护﹑防护提前做出应对措施。

尤其是咋此过程中温度对其裂缝的影响。

创新点通过软件对混凝土内部水化热产生的温度进行模拟分析，并且通过不同的情况（有无冷水管）进行对比分析。

一 建立模型的相关数据拟定试块尺寸为3.4×2.65×1.55m ，体积13.9655m 3。

以MIDAS 结构计算软件中的水化热模块为分析基础，单元的划分主要考虑冷却水管、测点和钢筋的位置及计算的精度等因素，均采用八节点六面体单元。

计算条件如下：1.1 根据试块结构特点，体积比较小，取全模型进行计算；1.2 试块混凝土方量较小，一次浇筑；1.3 从2月18日开始浇筑，气温4.0~14.0℃，月平均气温为9.5℃，全年平均风速为4m/s ，此处平均风速取为1ｍ/ｓ，混凝土浇筑温度为13.5℃，固定温度取为7.5℃。

1.4 试块混凝土冷却水管采用 50㎜的薄壁钢管(壁厚2.5㎜)，冷却水温度取均值16℃，流量为2.0m 3/h ，通水时间为7天。

1.5 混凝土线膨胀系数α=1.0×10-5/℃，泊松比0.167，比热为1.0kJ/kg ；1.6 混凝土28天抗压强度为47.8Mpa ，弹性模量3.0×104 MPa ；1.7 混凝土的弹性模量、导温系数、对流系数等按有关规范和经验取值,并考虑混凝土的收缩和徐变引起的应力松弛作用；1.8 由混凝土设计配合比，按水泥312kg/m 3，粉煤灰78 kg/m 3，折减系数取0.25，水泥水化热285kJ/kg ，龄期按7天计算，算出绝热温升约为34.4℃；二 重要参数的计算2.1 水化热计算中的重要参数2.1.1 水泥水化热在大体积混凝土的温度应力计算当中，水泥的水化热起决定作用。

水泥水化热是依赖于龄期的，主要有三种表达式，常用的为指数式［1］：)1()(0ττm e Q Q --= （2-9）式中，)(τQ ——在龄期τ时的累积水化热，kJ/kg ；0Q ——τ→∞时的最终水化热，kJ/kg ；τ——龄期，d ；m ——常数，随水泥品种、比表面及浇筑温度不同而不同。

根据某些试验资料，常数m 的数值见表2-1。

表2-1 常 数 m2.3.2 混凝土绝热温升在温度场的计算中实际使用的是混凝土绝热温升θ。

绝热温升可以通过实验测定，也可以通过估算确定，如果条件允许，当直接采用绝热温升试验设备直接测定。

但是，当混凝土的绝热温升缺乏实测数据时，可根据水泥水化热按下式［1］估算：()()ρττθc kF W Q +=)( （2-10） 式中， W ——水泥用量（kg ）；c ——混凝土比热(kcal/kg ℃)；ρ——混凝土密度(kg/m 3)；F ——混合材用量（kg ）；)(τQ ——在龄期τ时的累积水泥水化热，kJ/kg ；k ——折减系数，对于粉煤灰，可取 k ＝0.25。

影响混凝土绝热温升的主要因素包括：水泥品种、水泥用量、混合材料品种与用量和浇筑温度。

但是，在大体积混凝土有限元结构软件的计算中，绝热温升的取值并不完全是通过实测或理论计算就可得到，其取值与气温和浇筑温度有关。

绝热温升的理论取值是从混凝土开始搅拌即开始计算的。

也就是说，浇筑温度与绝热温升同时考虑了浇筑前的水泥水化放热。

因此，在有限元结构软件的水化热计算中，浇筑温度一般按实际取值，而绝热温升则应扣除浇筑前的那一部分水泥水化放热量。

2.3.3 混凝土导温系数混凝土的导温系数与其组成材料有关，而骨料的比例约为85％～90％,因此，导温系数的大小主要由骨料的导热系数确定。

按下式［1］计算：ρλc a = （2-11） 式中， a ——混凝土的导温系数，（m 2/h ）；λ——混凝土的导热系数，（kJ/m·h ℃）； c ——混凝土的比热，（kJ/kg·℃）；ρ——混凝土的密度，（kg/m 3）。

2.3.4 混凝土表面对流系数在大体积混凝土的水化热计算中，有三种重要的散热渠道，一是表面散热，二是冷却水管散热，三是地基散热。

因此，混凝土的表面对流系数是一个重要的影响参数。

其计算根据上海同济大学试验研究［18］按下式取值：646.5+=v α（w/m 2·K ） （2-12）式中，α——混凝土表面对流系数，（w/m 2·K ）；v ——风速，m/s 。

通常情况下，计算中使用的单位是kcal/(m 2·h·℃)，因此可以进行单位换算：1千卡/（米2·时·℃）〔1kcal/(m 2·h·℃)〕＝1.16279瓦/（米2·开尔文）〔w/(m 2·K)〕2.3.5 冷却水管对流系数在水化热计算中，冷却水管中的对流系数亦是一个重要的参数。

在MIDAS 水化热分析中采用的经验公式［38］如下：4375.4+=v HP （2-13）式中，HP ——冷却水管的管道对流系数，kcal/(m 2·h·℃)；v ——冷却水的流速，cm/s 。

2.4大体积混凝土计算经验公式在实际工程中，大体积混凝土的温度和温度应力要严格理论求解太过繁杂。

因此，一些专家根据现场实测数据和大体积混凝土水化放热变化规律，采用简化近似求解的方式，得出经验公式，直接应用于大体积混凝土工程温控实践当中。

主要包括：最高温度、表面温度、温差、温度应力、保温材料厚度和冷却水管流量设计的计算。

2.4.1 最高温度混凝土中心最高温度T max 按下式［15］计算()t j T T ξθ⋅+=max max （2-14）式中， T j ——混凝土的浇筑温度（℃）；m ax θ——混凝土的最高绝热温升（℃），其按下式取值43210max max K K K K ⋅⋅⋅⋅=θθ其中，0m ax θ——混凝土理论绝热温升。

1K ——水泥标号修正系数；2K ——水泥品种修正系数；3K ——水泥用量修正系数；4K ——模板修正系数。

K 1、K 2、K 3、K 4取值参见表2-2。

()t ξ——t 龄期混凝土的降温系数。

计算值见表2-3。

混凝土的降温系数与龄期、浇筑层厚度、水泥水化放热速度和气温等有关，具体取值按实际情况酌情而定。

表2-2 K 1、K 2、K 3、K 4修正系数表2-3 不同龄期和浇筑厚度的()t ξ值注:本表适用于混凝土浇筑温度为20～30.0℃的工程2.4.2 表面温度混凝土的表面温度T b （t ）按下式［15］计算：()t q t b T h H h H T T ∆+=//2)(4－ （2-15） 式中， )(t b T ——龄期为t 时混凝土表面温度（℃）；q T ——龄期为t 时大气温度（℃）；tT ∆——龄期为t 时混凝土最高温度与气温之差（℃）； H ——龄期为t 时混凝土的计算厚度（m ）；注：H =h +2 h ’h ——实际浇筑厚度；h ’—龄期为t 时混凝土的虚厚度（m ）；注：ｈ′＝Ｋλ／β［14］λ--混凝土的导热系数（W/m·K ）；K --计算折减系数，根据试验资料可取0.666；β--混凝土模板及保温层的传热系数（W/m*m·K ）。

2.4.3 内外最大温差)(max t b T T -=∆τ （2-16）2.4.4 温度应力计算温度应力按下式［9］计算：()()()k h t R t S u T E *-∆**=1ασ （2-17）式中， E t ——龄期为t 时混凝土弹性模量（MPa ）；S h （t ）——混凝土徐变松驰系数；△T ——混凝土最大综合温差（℃）；u ——混凝土泊松比；α——混凝土线膨胀系数1/[T]；R k ——混凝土弹性模量变化系数。

大体积混凝土温度应力安全系数K ：max σf R K =（2-18）式中， R f ——混凝土抗拉应力； max σ——计算温度应力。

2.4.5 保温材料厚度的计算根据不同龄期混凝土温度计算结果，混凝土在不同龄期养护所用保温材料厚度按下式［21］计算：()()b Q b T T T T H K --⋅=max 15.0λλδ （2-19）式中， K ——传热修正系数，见表2-4；H ——混凝土结构厚度（m ）；λ——保温材料导热系数（w/m·K ），见表2-5；T b ——混凝土表面温度（℃）；T q ——养护期间第t 天的平均气温（℃）；1λ——混凝土导热系数（w/m·K ）； T max ——混凝土最高温度（℃）。

2.4.6 冷却水管流量设计冷却水管流量设计，是在不考虑混凝土表面散热以及结构不产生裂缝的条表2-5 各种保温材料导热系数λ值件下，根据能量守恒规律，即水泥水化产生的热量等于冷却水带走的热量，得出下式［22］：()T t C T T M C M ∆-=20max 112 （2-20） 式中， C 1——混凝土比热；(kcal/kg ℃)；M 1——混凝土的质量（kg ）；T 0——不产生裂缝的最高温度（℃）；C 2——冷却水的比热(kcal/kg ℃)；M 2——时间t 内水的流量（m 3/s ）；T ∆——冷却水管进出水口温差（℃）；t ——降温所需的时间（h ）；三建模过程（附：Midas Civil 建模命名流）图1 承台模型四结果分析图2 温度云图图2是某一时刻混凝土内部温度云图。