基于ANSYS 的混凝土跳倉法施工的數值仿真分析

張雷　劉璐

（1.九江學院土木與城市建設學院，江西九江　332005；2.九江學院藝術與設計學院，江西九江　332005）

?

基于ANSYS 的混凝土跳倉法施工的數值仿真分析

張雷1劉璐2

（1.九江學院土木與城市建設學院，江西九江332005；2.九江學院藝術與設計學院，江西九江332005）

摘要：通過ANSYS軟件，數值模擬了跳倉法的整個施工過程，并利用ANSYS的耦合分析能力，把熱分析和結構分析耦合在一起，模擬了某基礎板的澆筑過程，數值模擬計算結果表明，采用跳倉法施工可以大大降低大體積混凝土澆筑時的溫度應力。

關鍵詞：大體積混凝土，耦合分析，溫度應力，跳倉法

0　引言

在澆筑大體積混凝土工程時，由于體積厚大，混凝土導熱系數較低，水泥水化過程中釋放的熱量來不及釋放，將導致混凝土內外產生較大溫差，進而出現溫度應力；溫度應力過大時將會導致溫度裂縫的出現，對結構產生不利的影響；為了解決大體積混凝土澆筑時的溫度裂縫控制問題，跳倉法澆筑綜合技術應運而生；跳倉法利用“抗放兼施、先放后抗、以抗為主”的原理，把大體積混凝土預先分成若干塊，然后隔塊進行施工，其模式和跳棋一樣，隔一段澆一段，該施工方式可以解決大體積混凝土的溫度裂縫控制問題；本文以某大體積混凝土基礎板為例，通過大型有限元軟件ANSYS建立有限元模型進行數值分析，數值仿真了大體積混凝土跳倉法的施工過程，為指導跳倉法施工提供數值依據，同時為今后類似工程的數值仿真計算提供借鑒方法。

1　工程背景

某地基尺寸為120 m×60 m×10 m，現需在其上澆筑一大體積混凝土基礎底板，其尺寸為60 m×30 m×1 m，混凝土標號為C30，水泥用普通硅酸鹽水泥，采用跳倉法進行施工，要求在澆筑時，基礎底板不出現裂縫。相關材料參數取值如下：混凝土密度ρ=2 500 kg/m3；地基密度ρ=2 600 kg/m3；比熱c =0. 92；導熱系數9. 7×10-3kJ/（m·h·℃）；對流系數0. 05 kJ/（m2·h·℃）；大氣溫度為20℃；澆筑溫度為20℃；混凝土的彈性模量E = 30 GPa；熱膨脹系數為α=1×10-5；泊松比v =0. 2。

2　ANSYS數值模擬混凝土澆筑過程

采用大型通用有限元軟件ANSYS對混凝土澆筑過程進行數值模擬；大體積混凝土在澆筑時，需要綜合考慮溫度場和溫度應力問題，也就是說整個澆筑過程包含熱學和固體力學問題，涉及到多個場的耦合問題；利用ANSYS的多場耦合分析能力，可以順利地模擬混凝土的澆筑情況；首先選擇熱單元，建立整個物理模型，輸入材料的熱參數，進行混凝土澆筑時的溫度場分析，可以獲得澆筑后的節點溫度；然后把熱單元轉化成結構單元，將各節點溫度作為體荷載施加在模型中進行結構分析，分析后可以獲得混凝土澆筑后各節點的溫度應力。

3　模擬單元

跳倉法施工的數值模擬需要進行熱分析和結構分析，進行熱分析時，模擬單元可以采用Solid70單元，該單元具有8個節點，每個節點包含一個溫度自由度；進行結構分析時，模擬單元可以采用Solid185單元，該單元同樣具有8個節點，每個節點包含3個自由度，具有膨脹、塑性、大變形和大應變等功能。

4　跳倉法的數值仿真過程

借助于ANSYS軟件中的單元生死功能，可以模擬跳倉法中分塊混凝土的施工順序，首先整體建模，對于不需要澆筑的混凝土，先將其“殺死”，等到需要澆筑時，再將其“激活”；對于本工程，厚度方向不分層澆筑，分塊寬度取15 m，將基礎板分成8塊澆筑，如圖1所示，先澆筑①，②，③，④，再澆筑⑤，⑥，⑦，⑧，模型以及網格劃分如圖2所示。

圖1　澆筑分塊編號示意圖

圖2　幾何模型和網格劃分圖

首先進行熱分析，設置求解選項，給地基施加初始溫度和邊界條件，即地基的四個側面和底面絕熱，然后給與空氣接觸的地基上層表面施加對流條件，施加后的對流條件如圖3，圖4所示：給基礎板單元施加初始溫度，即澆筑時的溫度，先使它的所有單元死亡，施加初始溫度T = 20℃；然后激活第一次澆筑的4塊單元，并對其施加對流條件；設置求解選項，進行求解，并保存結果；提取第一次澆筑后的計算結果，如圖5，圖6所示。

圖3　地基對流條件

圖4　基礎板對流條件

圖5　第一次澆筑后的溫度場

圖6　第一次澆筑后的熱梯度

圖5中計算結果表明，第一次澆筑后，溫度場分布較均勻；第一次澆筑完畢后，然后激活需第二次澆筑的單元，對所有的基礎板施加對流條件，進行溫度場的求解，計算結果如圖7，圖8所示。

圖7　第二次澆筑后的溫度場

圖8　第二次澆筑后的熱梯度

熱分析完畢，接下來進行結構分析，首先將熱單元轉化為結構單元，對模型施加邊界條件，即對地基的4個側面和底面施加全約束；為了模擬基礎板澆筑，先殺死所有的澆筑單元，然后激活第一次澆筑的單元，考慮自重，讀入熱分析結果，將它作為體荷載進行求解；求解完畢后保存結果，接著激活第二次澆筑的單元，再次進行求解，保存結果；提取模型的溫度應力，結果見圖9，圖10。

圖9　第二次澆筑后溫度應力場

圖10　第二次澆筑后基礎板溫度應力場

圖10中計算結果表明，第二次混凝土澆筑完畢后，基礎底板的最大溫度應力為0. 67 MPa，小于混凝土的早期抗拉強度，不會出現溫度裂縫，滿足施工的要求。

5　結語

跳倉法施工已經在大體積混凝土澆筑工程中得到了廣泛應用，本文通過ANSYS軟件數值模擬了跳倉法的施工過程，利用ANSYS的耦合分析能力把熱分析和結構分析耦合在一起模擬了真實的澆筑情況；數值模擬的計算結果表明，采用跳倉法施工可以大大降低大體積混凝土澆筑后的溫度應力，從而減少甚至避免溫度裂縫的出現；為了保證數值模擬的結果更能貼近工程實際，考慮到材料參數的選取會嚴重影響數值計算結果，建議在試驗條件許可的前提下，熱分析時所有材料參數的選擇均應通過現場試驗實測獲得。

參考文獻：

［1］李立峰.基于ANSYS的混凝土水化熱溫度場讀取方法［J］.山西建筑，2007，33（1）：74-75.

［2］朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［3］王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京：中國建筑工業出版社，2007.

［4］黃偉鵬.“跳倉法”綜合技術在超長地下結構裂縫控制的應用［J］.福建建設科技，2008（5）：88-89.

Numerical simulation analysis of concrete jump warehouse method on the basis of ANSYS

Zhang Lei1Liu Lu2
（1. College of Civil & City Construction，Jiujiang College，Jiujiang 332005，China；2. College of Arts & Design，Jiujiang College，Jiujiang 332005，China）

Abstract：Through ANSYS software，the paper carries out numerical simulation of jump warehouse construction process，uses coupling analysis capability of ANSYS，and simulates the foundation board grouting process by coupling thermal analysis and structural analysis. The numerical simulation results show that：it can greatly reduce massive concrete grouting temperature stress by applying jump warehouse method.

Key words：massive concrete，coupling analysis，temperature stress，jump warehouse method

中圖分類號：TU755

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0109-02

收稿日期：2016-01-15

作者簡介：張雷（1986-），男，助教；劉璐（1988-），女，講師