ANSYS模拟大体积混凝土浇筑过程的参数分析_赵英菊

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ＞Ｆｒｏｍ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ。注意， 结果文件的扩展名为 ＊．ｒｔｈ。
湿砂
１．３８～１．４７
泡沫混凝土
０．１０
０．３３
水
０．５８
１．３１
空气
０．０３
第五步： 指定参考温度； 在参考温度处， 热应力值为零。
第六步： 求解及后处理。
２．温度场的求解 ２．１ 三种基本传热方式
可生成一个运行程序 ＡＮＳＹＳ．ｅｘｅ。用户可以通过下面命令实现用户自
定义材料模型的调用， 即可实现对弹模的自定义：
ＴＢ，ＵＳＥＲ，ＭＡＴ，ＮＴＥＭＰ，ＮＰＴＳ，
！ 调用自定义模型
ＴＢＤＡＴＡ，ＳＴＬＯＣ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３
！ 定义材料常数
３．２ 徐变 徐变的实现， 可以采用隐式算法中的第 ６ 个模型或者
（４）当两种条件不同的 固 体 接 触 时 ， 如 接 触 良 好 ， 则 在 接 触 面 上 温
度和热流量都是连续的，
即
Ｔ１＝Ｔ２，
λ１（
!Ｔ１ !ｎ
）＝λ２（
!Ｔ２ !ｎ
）。
（１）热 传 导 ， 遵 循 傅 里 叶 定 律 （ 导 热 基 本 定 律 ） ： ｑ″＝－ λｄＴ ， 式 中 ｑ″
混凝土与空气接触（ 包括有养护条件） 的边界可按照第三类边界
化热值
ＢＦＥ，ＡＬＬ，ＨＧＥＮ， ，ＨＥ００
！ 加水化热
２．３．２ 温度参数取值 环境温度变化， 可 采 用 正 弦 或 余 弦 变 化 表
达式：
Ｔａｉｒ＝Ｔ＋Ａｄｃｏｓ（
π １２
×（ｔ－
ｔ０））或
Ｔａｉｒ＝Ｔ＋Ａｄｓｉｎ（
π １２
×（ｔ－
ｔ０））
其中 Ｔ— ——日平均气温， 取日最高气温与最低气温的平均值；
木模
０．２３
黏土砖
０．４３
步骤如下：
钢模
５８
油毡
０．０５
第一步： 进行热分析， 可选择 ＳＯＬＩＤ ７０ 单元；
草袋
第二步： 重新进入前处理器， 转换单元类型； 将热单元转换为相应
的结构单元， 原来的 ＳＯＬＩＤ ７０ 单元将自动转换为 ＳＯＬＩＤ ４５ 单元， 其
木屑
０．１４
沥青矿棉
０．０９～０．１２
Ａｄ— ——气温日变幅， 取日最高气温与最低气温差值的一半； ｔ— ——时间（ ｈ） ；
ｔ０— ——气温最高的时间（ ｈ） 。 ３．应力场的求解
３．１ 弹性模量 可以通过 ＡＰＤＬ 语言按龄期定义一系列的弹模数
值， 在计算过程中通过 ＤＯ 循环， 给每个龄期的混凝土弹模赋值， 时间
单位可以是天或小时。混凝土弹性模量随时间变化的关系可百度文库指数
表 １ 各种保温材料的导热系数 λ值（ Ｗ／ｍ·Ｋ）
理场的模型， 通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来
材料名称
λ
材料名称
λ
实现两种场的耦合。如我们用到的热－ 应力耦合分析就是将热分析得
到 的 节 点 温 度 作 为 载 荷 施 加 在 后 序 的 应 力 分 析 中 来 实 现 耦 合 的 。基 本
根 据 ＡＮＳＹＳ 的 分 析 结 果 与 实 测 数 据 比 较 建 议 在 建 筑 工 程 结 构 中 ｍ
取 ０．７～０．９。
将式（
５）
代入式（
４）
得
ｈｇｅｎ＝
ｄＱ（ｔ） ｄｔ
＝ｍＱ０ｅ－ ｍｔ
（ ６）
则单位体积混凝土在单位时间内产生的水化热可以表示为
ｍＱ０ｍｃｅ－ｍｔ， 其中 ｍｃ 代表每立方米混凝 土 中 水 泥 的 实 际 用 量 （ Ｋｇ／ｍ３） ， ｔ
的控制浇水养护时间， 这样可以减少收缩量， 避免早期干缩裂缝， 也可
降低后期的收缩裂缝， 养护时间最少 １４ 天。
度应力增量 Δσｉ， 则计算时刻时的徐变温度应力为：
ｎ
" σ＊（ｔ）＝ Δσｉ Ｈ（ｔ， τ）
（ ７）
ｉ＝１
式中： ｔ— ——计算时刻的混凝土龄期；
Ｈ（ｔ， τ）— ——混凝土的应力松弛系数。
我们不仅要进行混凝土温度场的模拟还要进行应力场的模拟， 所 以 要 用 到 ＡＮＳＹＳ 中 耦 合 分 析 ， ＡＮＳＹＳ 提 供 了 两 种 分 析 耦 合 场 的 方 法： 直接耦合与间接耦合。
直接耦合法的耦合单元包含所有必须的自由度， 仅仅通过一次求 解就能得出耦合场分析结果； 间接耦合法是以特定的顺序求解单个物
缝就可大部分避免。另外， 体形很大的楼 面 ， 如 果 按 ３０ｍ 左 右 分 块 交
叉施工， 若使相邻二块施工期错开 １４—２１ 天， 就相当于后浇带的作
用， 能减少收缩裂缝。以上二种施工安排避免裂缝的方法证明是行之
有效的。
（３）加强混凝土早期养护。从试验资料表明， 普通混凝土在水中养
护不仅无收缩， 相反有微量膨胀， 所以应尽可能延长水中养护或认真
ＭＰ，ＥＸ，Ｉ，ＥＸＸ（Ｉ）
！ 定义弹性模量
也 可 以 采 用 ＡＮＳＹＳ 二 次 开 发 ＵＰＦｓ 功 能 实 现 对 浇 筑 期 弹 模 的 有
效模拟。在 ＡＮＳＹＳ 自带的 ｕｓｅｒｍａｔ３ｄ．Ｆ 用户材料自定义子程序中改变
材料性质， 添加弹模曲线， 运行 Ｃｕｓｔｏｍ．ｂａｔ， 编译并连接， 在工作目录中
采用增量法， 即在 ＡＮＳＹＳ 计算温度应力时不考虑徐变的影响， 而是在
结 果 文 件 的 后 处 理 中 利 用 应 力 松 弛 系 数 来 考 虑 混 凝 土 的 徐 变 。具 体 方
法如下：
将时间划分为 ｎ 个时段， 应和 ＡＮＳＹＳ 分析过程中的时间步的设
定 一 致 ， 首 先 根 据 热 应 力 分 析 的 结 果 文 件 ， 计 算 每 一 时 段 Δτｉ 内 的 温
为龄期天。刚浇筑好时， 水化热为（ｍＱ０ｍｃ）ｋＪ／ｍ３， 此后为 ｍＱ０ｍｃ［ ｅ － － ｍ（ｔ－ ｔ０ － １）
ｅ－ ｍ（ｔ－ ｔ０ ） ］
ｋＪ／ｍ３，其 中
ｔ０
为浇筑时间。命令流为：
ＨＥ００＝Ｍ＊Ｑ０＊ＭＣ＊（ＥＸＰ（－ Ｍ＊（Ｔ－ Ｔ０－ １））－ ＥＸＰ（－ Ｍ＊（Ｔ－ Ｔ０））） ！ 定义水
量交换过程。
表 ２ 材料的基本热学参数
２．２ 边界条件
名称
数值 单位
名称
数值 单位
（１）第一类边界条件是指混凝土表面温度 Ｔ 是时间 τ的已知函数，
即
混凝土的密度 ２４００ ｋｇ／ｍ３ 混凝土的导热系数 ２．７１０ Ｗ／ｍ·℃
Ｔ（ｘ， ｙ， ｚ， τ）＝Ｔｂ（τ） （２）第 二 类 边 界 条 件 是 指 混 凝 土 表 面 的 热 流 量 是 时 间 的 已 知 函 数 ， 即
４．关键技术
施工仿真的实现［７］ ， 关键在于创建一个由 ＡＰＤＬ 语言和 ＡＮＳＹＳ 内
部函数的宏， 它首先要能够正确反映每个增量步中各种时变参数的变
关键词： ＡＮＳＹＳ； 混凝土； 浇筑； 时变参数
１．ＡＮＳ ＹＳ 分析的原理和步骤 ＡＮＳＹＳ 的热分析［１］ 包括稳态和瞬态两种， 如果系统的温度场与时
间无关， 则称该系统处于稳定的热状态， 简称稳态； 如果系统的温度场 随时间发生变化， 则称系统处于瞬态。显然， 大体积混凝土的浇筑过程 属于瞬态分析， 也属于非线性分析。
２．３．１ 水化热的施加 在 ＡＮＳＹＳ 中， 混 凝 土 的 水 化 热 是 通 过 生 热
率 ＨＧＥＮ 来施加的。顾名思义， 生热率就是单位时间内混凝土的生热
量， 即所产生的热量对时间的导数， 用表达式表示为：
ｈｇｅｎ＝ ｄＱ
（ ４）
ｄｔ
式中： Ｑ— ——混凝土中产生的热量；
ｈｇｅｎ— — — 混 凝 土 生 热 率 。
混凝土的水化热放热过程与混凝土的绝热温升过程具有一致性，
若取指数经验式：
９６
科技信息
○建筑与工程○
ＳＣＩＥＮＣＥ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
２００７ 年 第 １４ 期
Ｑ（ｔ）＝Ｑ０（１－ ｅ－ｍｔ）
（ ５）
式中 Ｑ（ｔ）— ——在龄期 ｔ 时产生的水化热， ｋＪ／ｋｇ；
Ｑ０— ——龄期内（ 通常为 ２８ 天） 水泥单位重量水化放热总量； ｍ— ——水泥水化速度系数（ ｄ－１） 。 关于水化系数 ｍ 的取值， 至今还没有统一。文献［３］中取 ０．３～０．５； 文 献［４］中取 ０．２９５～０．３８４； 文献［５］建议高层建筑基础结构中取 ０．９； 文献［６］中
－ λ$Ｔ ＝Ｔ′（τ） $ｎ
土壤的密度 １７５０ ｋｇ／ｍ３
土壤的导热系数
０．５８６ Ｗ／ｍ·℃
混凝土的比热 ０．９６３ ｋＪ／ｋｇ·℃ 混凝土的线膨胀系数 １０×１０－６ ℃
土壤的比热 １．００５ ｋＪ／ｋｇ·℃ 混凝土的导温系数 ０．００４２ ｍ２／ｈ
式 中 λ— ——导 热 系 数 ， Ｗ／ｍ·℃或 ｋＪ／ｍ·ｈ·℃， Ｗ／ｍ·℃＝３．６ｋＪ／ｍ· ｈ·℃；
０．１７
沥青玻璃棉毡
０．０５
对应的命令是 ＥＴＣＨＧ， ＴＴＳ。
矿渣
０．４７
泡沫塑料制品
０．０３～０．０５
第三步： 设置结构分析中的材料属性；
黏土
第四 步 ： 读 入 热 分 析 结 果 并 将 其 作 为 载 荷 ； 可 采 用 命 令 ＬＤＲＥＡＤ
干砂
读 入 热 分 析 的 节 点 温 度 ， 或 点 击 Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ＞Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞Ｌｏａｄ Ａｐｐｌｙ＞
科技信息
○建筑与工程○
ＳＣＩＥＮＣＥ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
２００７ 年 第 １４ 期
ＡＮＳＹＳ 模拟大体积混凝土浇筑过程的参数分析
赵英菊 王社良 康宁娟 （西安建筑科技大学土木工程学院 陕西 西安 ７１００５５）
摘要： 建筑工程中的大体积混凝土结构越来越多， 利用有限元程序 ＡＮＳＹＳ 进行施工过程的模拟仿真可以形象地给出温度场和应力场的分 布情况， 同时能考虑各参数随时间的变化。时变参数的选取及其在程序中的实现是仿真分析中的重点和难点， 特总结归纳， 并给出解决的方法 供参考。
ｎ— ——表面外法线方向， 若表面是绝热的， 有： $Ｔ ＝０。 $ｎ
（３） 第三类边界条件假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面
温度 Ｔ 和气温 Ｔａ 之差成正比， 即
－
λ$Ｔ $ｎ
＝β（Ｔ－ Ｔａ）
式中 β— ——表面放热系数 ， 也 称 对 流 系 数 ， Ｗ／ｍ２·℃。 其 数 值 与 风
速 ｖａ（ ｍ／ｓ） 有 密 切 的 关 系 ， 固 体 表 面 在 空 气 中 的 放 热 系 数 可 用 以 下 两
●
（ 上接第 ８９ 页） （１）合理设计 与 控 制 混 凝 土 配 比 ， 在 保 证 强 度 的 前
提下， 减少水泥用量与绝对用水量。由于混凝土的收缩是水泥石结硬
过程中失水造成的， 绝对用水量少， 混凝土结硬多余水就少， 收缩就
小。所以施工各个环节都要控制用水量， 严禁在新鲜混凝土中加水， 在
有条件的情况下， 可以采用高效减水剂与低坍落度混凝土。
式、修正指数式或复合指数式， 若取指数式， 即 Ｅ（ｔ）＝Ｅ０（１－ ｅ－０．０９ｔ）， 其中 Ｅ０＝ ０．２６×１０５ＭＰａ， 则 Ｅ（ｔ）＝０．２６×１０５×（１－ ｅ－０．０９ｔ）， 其中 ｔ 为时间 ｄ， 命令流如下：
ＥＸＸ（Ｉ）＝０．２６ｅ５＊（１－ ＥＸＰ（－ ０．０９＊Ｉ）） ！ 弹性模量取值
式计算， 单位是 ｋＪ／ｍ２·ｈ·℃。
粗糙表面： β＝２３．９＋１４．５０ｖａ
（ １）
光滑表面： β＝２１．８＋１３．５３ｖａ
（ ２）
当有模板和保温层时， 可按下式计算： β＝ １
（ ３）
∑ δｉ ＋ １
λｉ βｑ
式中 δｉ— ——各种保温材料的厚度（ ｍ） ； λｉ— ——各种保温材料的导热系数（ Ｗ／ｍ·Ｋ） ， 可按表 １ 取值［２］； βｑ— ——空气的传热系数， 可取 ２３（ Ｗ／ｍ２·Ｋ） 。
（２）合 理 组 织 施 工 。 施 工 是 防 止 混 凝 土 结 构 早 期 裂 缝 的 重 要 环 节 ，
合理的施工安排可以减少结构各部位间的约束应力。例如： 底板先施
工， 墙板后施工， 往往因为底板对墙板的约束而造成墙板上的垂直裂
缝。如果工期控制在墙板浇灌与底板浇灌时间差在七天以内， 这种裂
ｄｘ
条件处理：
为 热 流 密 度 （ Ｗ／ｍ２） ， λ为 导 热 系 数 （ Ｗ／ｍ·℃） ， “－ ”表 示 热 量 流 向 温 度
ＮＳＥＬ，，，
！ 选择与空气接触的表面节点
降低的方向。 （２）热对流， 用牛顿冷却方程来描述： ｑ″＝β（ＴＳ－ ＴＢ）， 式 中 β为 对 流 换
ＳＦ，ＡＬＬ，ＣＯＮＶ， β， Ｔａｉｒ，
！ 加载表面散热系数和环境温度
混凝土与地基或基岩的边界可以按照第四类边界条件处理，通过
热系数， ＴＳ 为固体表面的温度， ＴＢ 为周围流体的温度。
定义两种材料的导热系数和初始温度即可。
（３）热辐射， 指物体发射 电 磁 能 ， 并 被 其 它 物 体 吸 收 转 变 为 热 的 热
２．３ 热学参数取值 基本参数较容易获得， 也可参考下表：