采用midas模拟分析混凝土结构温度场与应力场

采用midas模拟分析混凝土结构温度场与应力场
摘要：混凝土桥墩在浇筑成型的早期易受到水泥水化作用和环境温度的影响,产生早期裂缝。

采用有限元软件计算混凝土桥墩的温度场和应力场，绘制关键节点的温度变化曲线，分析保温材料的有效性。

关键词：有限元；模拟；温度场；应力场
Abstract: the concrete bridge pier in casting of molding early are susceptible to cement hydration effect and the influence of the temperature of environment, produce early cracks. Finite element software of concrete bridge pier calculation of the temperature field and stress field, drawing the temperature change of the key nodes curve, analysis the effectiveness of the heat preservation material.
Keywords: finite element; Simulation; Temperature field; Stress field
0 引言
混凝土桥墩浇筑成型后，易受不均匀温度场影响，桥墩易产生温度裂缝，危及其安全[1]，影响混凝土桥墩内部温度场的因素很多，最主要的因素是水泥的水化作用和环境温差[2]。

规范中只规定混凝土的允许温差，如《铁路桥涵施工规范》（TB 10203-2002）规定:当混凝土温度与环境温度之差大于25℃时，应按大体积混凝土施工，并应采取降温措施[3]。

采用有限元分析方法分析混凝土桥墩的温度和应力，可以较为准确的判断混凝土开裂的时间和部位，同时也可以判断降温措施或保护措施的效果。

采用有限元软件midas分析混凝土桥墩，可以模拟保温材料包裹下的混凝土结构的温度场和应力场，计算关键节点的温度变化曲线，判断保温措施的效果。

计算中考虑了混凝土水化热温升变动、徐变、浇筑温度、对流边界条件、重力荷载等因素。

1模型的基本参数
试验模型采用高4m、长6m、宽2m的桥墩，模型分为两部分，第一部分为桥墩基础，采用C25的素混凝土浇筑，混凝土材料属性参照国标“JTG04”，基础浇筑时间较早，主要是用于承载桥墩的自重荷载，材料参数见表1。

第二部分为桥墩墩身，采用C35的素混凝土浇筑，考虑其水化作用的影响，材料参数见表1。

2有限元模型的建立
桥墩模型如图1所示，桥墩墩身高4m，长6m，宽2m，底部基础为0.3m 的混凝土基础，基础长7m，宽3m，模型共划分单元2720个实体单元。

图1 有限元模型
3初始条件和边界条件
3.1 环境温度参数
混凝土桥墩温度场影响因素多，包括日照、大风、大气温度等[4、5]；midas中环境温度可以直接将已经测试好的环境温度输入到midas界面当中。

输入的时间单位为h，温度单位为℃。

桥墩模型采用兰新铁路第二双线项目中得一座桥墩实例，混凝土在2010年6月7日凌晨0：55分完成浇筑混凝土，浇筑初始温度为15.2℃。

采用铂电阻温度传感器在试验墩外表面采集环境温度，温度测试时间从第三个小时开始，共测试296个小时。

3.2 放热系数
模型的温度场计算考虑第三类边界条件，固体表面在空气中的放热系数(对流系数)β受到环境温度、混凝土的温度、混凝土表面形状、风速、日照等因素的影响。

风速风向对于试验墩模型的对流热交换系数影响较大，但风速与风向是随时间变化的，并且受到很多偶然因素的影响[5]。

本文参考河海大学马跃峰博士的研究成果，利用反演参数计算的方法，结合风速试验结果，建立暴露混凝土的表面热交换系数β与风速的关系[6]：
桥墩在新疆乌鲁木齐地区，平均气温6.9℃，最高气温31.3℃，最低气温-31.9℃，最冷月平均气温-10.5℃，最大风速34.9m/s。

温度测试期间风速为0～5m/s，简单考虑取日平均风速为2m/s。

对流系数采用确定为。

参数β为测试期间的放热系数平均值，表示在温度监测期间混凝土试验墩暴露在空气当中与大气进行热交换的速率。

4保温层的参数化模型
当桥墩表面包裹保温层材料时，有限元计算模型考虑将保温材料考虑与混凝土表面紧密连接，将保温材料直接加入的试验墩有限元模型中，分析组合模型的温度场和温度应力场。

试验实测保温材料导热系数为0.035，厚度为3cm，确定放热系数β=19.49。

5模型计算结果分析
采用有限元软件midas计算模型，将混凝土桥墩模型划分为5h、30h、50h、80h、95h、110h、135h、160h、230h、280h、296h十一个水化热施工阶段。

检查不同时间桥墩的温度场。

包裹有保温材料的桥墩模型5h时，中心剖面温度场情况。

桥墩浇筑成型5h时，混凝土水化放热时间较短，内部的温度不高，只有32.9℃，混凝土水化不充分，内部温度比环境温度略高。

包裹有保温材料的试验墩模型在80h时，中心剖面温度场情况。

桥墩中心此时的最高温度为81.2℃，由于桥墩混凝土的不良导热性和保温材料的热阻作用，导致桥墩内热量堆积，出现了一个温度的峰值。

混凝土内部温度梯度为7.0℃，小于规范要求的25℃，桥墩内部的温度梯度不足以产生温度裂缝。

由于在实际的温度检测过程中，试验必定在是有限时间段进行的。

考虑桥墩的温度检测进行了296h。

桥墩模型在296h时，中心剖面温度场区域缓和，温度梯度明显减小。

桥墩模型关键节点编号，将各个节点的温度绘制成图，中心节点1704号点最高温度为81.2℃，出现的时间为混凝土水化80h。

各个节点温度曲线形状与环境温度的曲线相比有较大的差别，边缘各节点由于保温材料的保护，受到大气温度的影响较小，降低了桥墩整体的温度梯度。

5h时混凝土中心剖面应力场情况，混凝土此时的温度应力很小，只有在桥墩与基础的新老混凝土的界面上出现很小的应力。

95h时混凝土中心剖面应力场情况4.04应力为1.98 Mpa，为拉应力，小于混凝土的允许抗拉强度值4.04 Mpa，混凝土结构不出现裂缝。

最大应力位置为桥墩的中部，此处混凝土中心节点距离大气的距离最长。

6.结论
（1）采用有限元软件midas计算混凝土桥墩的温度场，结果表明桥墩中心节点最高温度为81.2℃，内部最大温度梯度为7.0℃。

最高温度出现在混凝土水化80h时。

模型中心节点的温度曲线较为平缓，在0～80h，试验墩内温度梯度逐渐扩大，80h时，温度梯度达到峰值；80h后，试验墩内温度梯度逐渐减小。

（2）采用有限元软件midas计算试验墩模型应力场，结果表明试验墩最大温度应力为1.98MPa，为拉应力，小于混凝土的允许抗拉强度，混凝土结构不出现裂缝。

（3）桥墩边缘节点温度曲线与环境温度的曲线相比有较大的差别，边缘各节点由于保温材料的保护，受到大气温度的影响减小，降低了桥墩整体的温度梯度，大大降低桥墩温度裂缝产生的可能性。

参考文献：
[1]劳宇.混凝土水化热温度损伤研究[D].南京：河海大学.2006
[3]马文彬.自然气候条件下混凝土内部温湿度响应规律研究[J].混凝土与水泥制品,2007
[3]中华人民共和国铁道部标准.铁路桥涵设计规范（TBJ2-85）第一版[M].北京：铁道出版社，1985
李伟：工程师，2005年毕业于华中科技大学土木工程系，重庆交通大学在职硕士，现任重庆交大道路桥技术研究有限公司总经理。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。