水化热参数化分析

一．概要

1. 水化热分析

浇筑混凝土时，水泥在水化过程中产生大量热量会使混凝土的温度升高。虽然随时间的推移混凝土的温度会慢慢冷却，但结构各个位置的温度下降速度不均匀，结构不同位置将发生相对温差，此温差会使混凝土发生温度应力。

温度裂缝发生类型

混凝土浇筑初期，因内部温度升高将发生膨胀，但混凝土表面的温度下降较快，相对应变较小，从而使混凝土表面产生拉应力。

混凝土内部不同的温度分布引起的不同的体积变化而导致的应力称为内部约束应力。此类拉应力裂缝主要发生在构件尺寸比较大的结构。

混凝土在高温状态下温度下降会发生收缩，但受到与其接触的已浇筑混凝土或者地基等的约束而产生的拉力，像这样变形受外部边界约束的状态称为外部约束。此类应力主要发生在像墙这样约束度比较大的结构中。

利用温度裂缝指数预测温度裂缝

韩国混凝土规范中使用温度裂缝指数（抗拉强度与发生的温度应力之比）i 值预测是否发生裂缝。

一般采用下面的值。

FEA程序的水化热分析

水化热分析主要分为热传导分析和热应力分析。. 热传导分析主要计算水泥的水化过程中发热、传导、对流等引起的随时间变化的节点温度。将得到的节点温度作为荷载加载后，计算随时间变化的应力称为热应力分析。

因此通过查看温度分布可以看出输入数据是否有误，如果温度分布没有问题可说明输出的应力结果也是正确的。

2. 水化热参数化分析

水化热分析必须进行反复计算

大体积混凝土的温度裂缝可以利用温

度裂缝指数(Crack Ratio, Icr) 来验

算。温度裂缝指数要满足结构的重要

性、功能、环境条件等因素的要求。

温度裂缝指数受水泥的类型、浇筑温

度、养生方法等多因素的影响，所以

需要对多种条件进行反复分析以找出

最佳的浇筑方法。

参数化分析功能

为比较多种条件的分析结果需要建立多个模型进行分析，分析结束后需要整理大量的分析结果、还要进行结果保存、对比等工作。

通过FEA的水化热参数化分析功能，可以实现一个模型多种条件分析。可以大大减少单纯繁琐的反复分析过程，从而提高工作效率。

参数化分析的使用方法

首先建立一个基本模型，在基本模型里使用替换变量的方式定义分析工况。下图是把材料作为变量条件的示例，“Case I”为将混凝土C24变更为C30的工况，“Case II”为将混凝土C35变更为C40的工况。

| 参数化分析的构成|

参数化分析里可以考虑的变量

在水化热参数化分析的功能里可以调整的变量有五个，较常用的调整方法具体如下。

•施工阶段：降低浇筑高度缩小各阶段的温度差。浇筑间距过小的话很难达到分段浇筑的效果，但如果太大分界面会产生较大的温差。.

•对流边界：对流系数较低时，热量不容易对外流失，可以减少内外温差。

•材料：使用弹性模量大的材料时，抗拉强度也较大，可增大裂缝指数。•发热特性：是变量中最为敏感的因素, 定义水化过程中发生的热量。•是否考虑自重：使混凝土产生压应力的荷载，在一定程度上可以减少拉应力，但效果不明显。

|温度裂缝指数与裂缝发生几率|

裂缝指数(i) =

混凝土抗拉强度

发生的温度应力

•防止裂缝发生时：1.5 以上

•限制裂缝发生时：1.2 ~ 1.5

•限制有害裂缝发生时：0.7 ~ 1.2

输入混凝土的散热特性

及浇筑条件等

混凝土的温度

应力

裂缝指数

END

Yes

No | 内部约束产生的裂缝（放热时）|

| 外部约束产生的裂缝（冷却时）|

二．建立基本模型

1. 结构分析所需的数据

水化热参数化分析如前面图形所示。首先建立基本模型，通过在基本模型里定义“Used”和“New”的对应关系来定义分析工况。

| 进行参数化分析时输入变量的示意图|

但是利用这种方法很难输入多个变量，虽然输入热源函数或对流系数函数很简单，但反复定义施工阶段和对流边界面的过程较繁琐。

为避免这种繁琐的定义过程，在定义水化热分析变量时，先不定义此两项。而是先定义阶段工况，即按不同的施工方案定义不同的施工阶段工况，然后再对不同的阶段工况定义各自的材料、对流系数等。

| 进行参数化分析所输入的数据|

1) 建立模型

此操作例题主要介绍“水化热参数化分析”的方法，仅对于相关变量的输入、各种分析条件的定义、查看分析结果部分进行详细说明。导入附件里的“HY D_Pier_Mesh.feb”模型文件。

¼对称模型

施工阶段水化热分析模型一般单元数量较多，所以分析所需的时间也较长，而且还要进行多条件分析工况的分析，所以需要更多的分析时间。

如果模型属于对称模型，可以只建立¼模型以减少分析时间。

这样不但可以减少分析时间也有利于查看模型中心部位的分析结果。

2) 特性时间依存材料特性

在FEA里可以考虑徐变/收缩特性和混凝土的抗压强度变化。

徐变计算方法

可以选择用户定义或者使用规范的计算方法。

弹性模量折减方法是假设发生徐变，然后折减混凝土弹性模量的简易计算方法，一般的水化热分析里均使用这种方法。

因弹性模量折减方法只适用于水化热分析，为了避免在一般的施工阶段分析中误用，在水化热分析控制里单独定义。

采用弹性模量折减方法时，为了要指定计算徐变的单元（通过材料对话框中的相应选项将徐变函数与材料连接起来，然后通过给单元赋予材料将徐变函数与单元连接起来），需要任意定义一个徐变计算方法，但在这里定义的徐变计算方法并不参与水化热分析的徐变的计算。

Procedure

1.名称: (C30)

2.规范:(中国(JTG D62-2004)

3.混凝土28天材龄抗压强度: (3.0e7)

4. 点击[适用]

5.名称: (C45)

6.混凝土28天材龄抗压强度:(4.5e7)

7.点击[确认]

1

操作步骤

Procedure 分析> 分析控制...

1.单位体系:确认指定为(N, m, J)

操作步骤分析> 时间依存性材料> 徐变/收缩