MIDAS考虑管冷的水化热分析

考虑管冷的水化热分析

北京迈达斯技术有限公司

目录

概要 1

模型的基本数据 3

材料和热特性数据 5

建立模型 6

设定操作环境 6

定义材料特性 7

定义时间依存特性 8

时间依存材料连接 9

结构建模 10

输入水化热分析数据 26

水化热分析控制数据 26

输入环境温度 27

输入对流系数 28

定义热源函数 31

输入管冷数据 33

定义施工阶段 36

运行结构分析 38

查看分析结果 38

查看温度变化 39

查看应力变化 43

查看时程图形 47

动画查看结果 51

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概要

对于建筑物的基础以及桥梁的基础、桥墩等大体积混凝土需要考虑水化热引起的温度应力。温度应力引起的裂缝具有裂缝宽、上下贯通等特点，因此对结构的承

载力、防水性能、耐久性等都会产生很大影响。

大体积混凝土的温度应力是由于浇注混凝土后，水泥的水化反应（放热反应）导致的混凝土体积的膨胀或收缩，在受到内部或外部的约束时而产生的。

混凝土水化热引起的应力可以分为内部约束应力和外部约束应力两大类。

内部约束应力是指由于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。即，水化反应初期由于中心部分温度比表面温度高，会导致表面产生拉

应力；而温度开始下降时中心部分的收缩会比表面部多，此时中心部会产生拉应

力。内部约束应力的大小与内外温差成比例。

外部约束应力是指新浇筑的混凝土，由于水化热而发生的体积变化，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应力。外部约束的作用与接触面积

的大小和外部约束的刚度等因素相关。

水化热分析包括热传导分析(Heat Transfer Analysis)和热应力分析(Thermal Stress Analysis)两个过程。

热传导分析是通过考虑水泥水化反应时产生的热量、对流、传导等因素计算随时间变化的各节点的温度的过程。

热应力分析是利用计算得到的各节点的不同时间的温度，考虑随时间和温度变化的材料特性、干缩、随时间和应力变化的徐变等，来计算大体积混凝土各施工阶

段的应力的过程。

降低水化热的方法可分为使用低热水泥、分段浇筑、骨料预冷、管冷、Sheet 养护等。这份资料介绍使用管冷方法来防止温度应力时如何进行水化热分析。

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水化热分析的建模与分析过程如下。

定义一般材料特性 弹性模量、比热、热传导率

定义时间依存特性 收缩、徐变、弹性模量变化 建立结构模型 定义单元、边界条件

水化热分析控制定义积分系数、初始温度

定义环境温度函数 对流系数函数 单元对流边界输入外界温度的变化函数和对流系数函数之后，定义单元（节点）的对流边界

定义固定温度 对于温度不随时间变化的部分输入固定温

度

定义热源函数 分配热源根据水泥种类和实验数据定义热源函数并将其分配给相应单元

管冷 考虑管冷时，输入管冷相关数据

定义施工阶段 定义各施工阶段对应的单元和边界条件 运行分析 进行热传导分析和热应力分析

查看分析结果 查看各阶段的温度和应力

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模型的基本数据

为了便于理解和说明问题，这个例题使用了简单的板式基础的模型，其形状如图1所示。对于浇筑混凝土后的1000个小时进行了水化热分析，其中管冷作用于前1 00个小时。

如果将地基的支承条件使用弹簧模拟，则无法描述混凝土的热量传递给地基的情况。因此需要将地基也模拟为具有一定比热和热传导率的结构。

地基 : 17.6 x 12.8 x 2.4 m

板式基础 : 11.2 x 8.0 x 1.8 m

水泥种类 : 低热硅酸盐水泥（Type IV）

板式基础

地基

1.8 m

8 m 2.4 m

11.2 m

12.8 m17.6 m

图1. 水化热分析的模型

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由于模型具有对称性，所以这里只取1/4模型进行建模和分析。这样不仅可以提高建模速度、缩短分析时间，而且也便于查看内部温度分布以及应力发生状况。 6.4 m

8.8 m

4.0 m

5.6 m

图2. 施工阶段水化热分析模型 (1/4对称模型)

材料和热特性数据

材料和热特性如表1所示。

表1. 材料和热特性数据

定义热源函数时的最大绝热温升(K)和导温系数(a)与水泥的种类有关。可以用户输入实验数据，也可选择相应种类的水泥，程序可以自动考虑。

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建立模型

设定操作环境

打开新项目(

)，以“管冷水化热.mcb ”为名保存(

)。

文件 / 新项目

文件 / 保存 (管冷水化热)

将单位体系设为m, kN。

工具 / 单位体系

长度>m ; 力>kN ↵

图3. 设置单位体系

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定义材料特性

输入地基和基础的材料特性。

为了方便输入，比热和热传导率的值可以将单位设置为kgf 、m 后再输入右侧数值。

图4. 定义材料

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定义时间依存特性

为了考虑徐变、收缩以及混凝土抗压强度(弹性模量)的变化，定义时间依存性材料特性。

模型 / 材料和截面特性 /

时间依存性材料 (抗压强度)

名称>(强度发展) ; 类型>设计规范 规范>ACI

混凝土28天抗压强度(f28)>(3000) kN/m^2 强度系数>(4.5) ; b (0.95)

↵

中国规范中没有规定强度发展曲线，用户可以根据实验数据自行定义强度发展。本例题使用ACI 的强度发展曲线。

进行水化热分析时

对于徐变的考虑，通常是通过折减弹性模量的方法来进行的。在6.7.0版本之前，折减弹性模量是在定义徐变对话框中通过选择设计标准中的“编辑弹性模量”来考虑的。但由于该方法只针对水化热分析，因此为了减少用户混淆的可能，从6.7.0版本开始，该功能被移到了“

分析/水化热分析控制”对话框。如果用户想使用设计规范定义徐变后在水化热分析中予以考虑，在“分析/水化热分析控制”对话框的徐变计算方法中选择“一般”即可。

图5. 定义强度发展曲线