鋼渣地基的熱應力場分析

納娜

【摘 要】間接耦合分析是以設定的順序求解單個物理場作用的模型。本文的計算屬于熱與結構的間接耦合，考慮溫度分布的變化對結構中應力應變和位移等物理量的影響。

【關鍵詞】溫度場；熱應力；模擬

【Abstract】Indirect coupling analysis is to set the order for a single physical field model. Indirect coupling calculation in this paper belongs to the thermal and structure， considering the variation of temperature on the distribution of stress and displacement of structure.

【Key words】Temperature field； Thermal stress； Simulation

0 引言

物體由于約束或各部分溫度變化不均勻，熱變形不能自由進行時，則在物體中產生應力。物體由于溫度變化而引起的應力稱為“熱應力”或“溫度應力”

間接耦合分析是以設定的順序求解單個物理場作用的模型。各個物理場間的影響是單向的，前一個物理場的計算結果作為下一個物理場計算的條件。計算時不需要特殊的單元類型，效率要提高很多。

本文的計算屬于熱與結構的間接耦合，考慮溫度分布的變化對結構中應力應變和位移等物理量的影響。考慮熱到結構的耦合，即溫度分布變化引起的位移變化，熱到結構的作用是單向的。位移及應變的變化對于溫度分布的影響可以忽略。

ANSYS中用于瞬態熱分析的三維實體單元為Solid70，轉化為用于熱-應力分析的單元為Solid45，Solid45單元用于構造三維固體結構。單元通過8個節點來定義，每個節點有3個沿著x，y，z方向平移的自由度。單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變能力。Solid45單元的更高階單元是Solid95，單元由8個節點和各向同性的材料參數來定義。

1 計算的主要步驟

1）進入結構分析；

2）轉換單元類型；

3）定義結構的材料屬性（包括熱膨脹系數ALPX，彈性模量EX等）；

4）將熱分析中的節點溫度（結果文件.RTH）讀入到結構分析中作為體荷載；

5）施加邊界條件并進行結構場計算；

6）進行結構分析后處理，得到各點應力應變、位移。

2 對鋼渣地基位移場的模擬

鋼渣地基的位移場分析是建立在溫度場的基礎上，把鋼渣的不同年份的溫度場作為體載荷加入到這些單元上，然后進行分析。

鋼渣地基的熱應力場分析是建立在其溫度場基礎之上的，利用ANSYS多物理場的耦合功能，把熱分析的溫度數據輸入到結構分析中，并加入結構分析所需要的熱膨脹系數、彈性模量等即可進行求解溫度梯度應力，節點應力應變及位移。

3 模擬計算結果比較與分析

3.1 位移計算結果

自重情況下的位移量最大值是0.67m，在渣層最厚的地方，巖層因為不考慮溫度的影響，位移變化量很小。已完成位移圖情形的最大位移為0.55m，比自重情形增長十幾厘米，測溫時刻的鋼渣地基因反應生熱，有熱量積聚而保持一定溫度，溫度增長是比自重引起的位移增大的主要原因。渣體表面施加60℃以及120℃熱源的情形，位移變化在渣層較厚區域相差不大，而在巖層較厚的區域位移變化相差較大容易引起不均勻的變形。

zk38以前的各鉆孔，除去zk11，zk21，zk35，其他各個鉆孔的位移變化量都很小，在zk36之后各鉆孔的區域，位移變化量是越來越大，渣層最薄的zk25達到了將近0.9m，也就是說在已完成位移基礎上，將產生0.9m的位移。zk25處第2年位移變化在兩種熱源作用下分別0.08m和0.18m，第5年的位移變化分別為0.2m和0.48m，第10年的位移變化為0.33m和0.88m，這么大的位移足以破壞上部的建筑物。

3.2 應力計算結果

大部分區域受到壓應力，熱源影響第5年和第10年時刻在巖層區域出現拉應力，是由巖石受熱膨脹所導致，且第10年的受拉區域大于第5年，因計算模型處于整個渣場中，四周被鋼渣包圍，不會出現滑坡等情況。

4 模擬結果分析

鋼渣地基中巖層厚度對位移的影響比較大，雜土層的厚度大多在2m以內，相對于55m的模型來說，可以忽略其影響。

鋼渣地基在60℃與120℃熱源作用下，在渣層厚度均勻的區域，位移的變化也是基本相同，在渣層厚度變化較大的區域，鉆孔之間的位移相差較大，在zk24、25、26、28區域的巖層較薄且厚度變化較大，巖層上表面呈斜坡狀，計算所得的位移值相差達到了0.4米左右。在表面沒有熱源的區域，比如zk42距離熱源較遠，位移值在0米附近，基本等于沒有變化。但是在渣層厚度基本相同的zk39區域，其距離熱源近一些，位移值就有3厘米左右。距離熱源距離越遠，影響越小。zk36，zk37位移值就比zk41，zk42要大。距離熱源較近區域的位移變化也應考慮，離熱源距離的變化也會產生不均勻的位移變化對上部建筑非常不利產生裂紋甚至破壞。大體積鋼渣地基Z向應力大部分區域受到壓應力，在巖層升溫幅度較大的區域由于膨脹而出現拉應力，熱源影響時間越長，拉應力的區域越大。

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[責任編輯：湯靜]