基于APDL建模的大體積混凝土優化澆筑模擬

傅蜀燕 王良澤南 黃海燕

(云南農業大學水利學院，云南 昆明 650201)

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基于APDL建模的大體積混凝土優化澆筑模擬

傅蜀燕 王良澤南 黃海燕

(云南農業大學水利學院，云南 昆明 650201)

基于APDL建立大體積混凝土澆筑有限元模型，分析了實際工程中的水化熱問題，并用耦合的方法，對混凝土澆筑周期內的熱分析結果與結構分析結果進行了計算，得到混凝土應力—應變變化規律，結果表明：在保證水化熱反應滿足混凝土強度要求的基礎上，通過減少澆筑層數來優化模型，可以達到既節省材料又縮短工期的目的。

大體積混凝土，水化熱，模型，熱梯度，應力

1 概述

混凝土的澆筑不可避免地要面對水化熱的問題，特別是在大體積混凝土澆筑中，因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生，數值模擬的結果對裂縫的防治具有重要意義。近年來，學者們開展了大量相關研究。張敏玉等[1]通過混凝土澆筑過程數值模擬，得到了混凝土的溫度場和應力的變化規律；馬建軍等[2]基于ANSYS對大體積混凝土澆筑過程進行仿真分析，獲得了與實際工程結果相吻合的仿真結果；王仁超等[3]用不同方案對小灣工程大壩混凝土澆筑進行了仿真研究，并依據模擬計算結果對澆筑方案進行優化,使總工期提前了2.5個月,機械綜合效率提高3%。為了能夠較為靈活的分析溫度引起的應力、應變，以及更為真實的模擬大體積混凝土多層澆筑情況，可以通過APDL語言來建模實現。

基于APDL建模的方法，不僅可以大量減少在界面反復操作的工作量和時間，也便于檢查錯誤，而且可以為模型的計算尺寸和計算參數的優化提供基礎，根據不同的實際情況，通過最優化方法中遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等智能算法優化的尺寸和參數，可以直接代入APDL中計算得出最優模型結果。本文依據假定的尺寸和參數，計算并得出結果，所用的APDL可為后期澆筑尺寸和參數的優化提供技術支撐[4]。

2 澆筑模擬相關理論

2.1 混凝土破壞機理

混凝土澆筑過程中，內部水化熱溫度極速上升(澆筑的厚度越大，其內部水化熱溫升值越大)、膨脹，而表面溫度變化幅度較小，致使混凝土內部膨脹受表面約束，形成表面受拉而內部受壓的狀態；混凝土澆筑后，其水化熱溫度逐漸下降，由于內部溫度降低幅度比表面大，混凝土內外部溫降幅度不一致，致使內部冷卻收縮遠大于表面，內部的收縮受表面約束。當冷卻收縮的拉應力超過壓應力時，混凝土內部和表面的壓應力都轉變為拉應力，若超過其抗拉強度，裂縫隨即產生，由于混凝土的抗拉強度很低，早期多表現為表面裂縫，晚期裂縫多出現在內部，對結構安全極為不利，容易導致腐蝕破壞[5]。

2.2 ANSYS模擬理論

通過ANSYS合理地模擬各種因素對混凝土澆筑的影響及有效地對澆筑過程進行熱力學與結構靜力學分析。ANSYS對澆筑的處理如下：

1)荷載步的確定。按照實際的施工節奏，施工1 d，停工1 d，再施工1 d，再停工1 d，一共4 d，ANSYS選取荷載步(以d為單位)分四步進行，每天按一種荷載計算。2)單元生死法。先建立完整的有限元模型，然后根據施工順序先模擬施工前的模型，這樣就需要用到單元生死法，即殺死此時模型不存在的部分的單元，使其不產生作用，以后每澆筑一層就需要激活一層單元，直到完全激活，計算結束[6]。3)熱分析和結構分析的結合。ANSYS的耦合分析能力可以把溫度場與應力場耦合在一起來模擬真實的澆筑情況，本文先進行熱分析，然后進行結構分析。澆筑時同時考慮溫度荷載和重力荷載，溫度荷載需要通過熱分析求解，而重力荷載需要通過結構分析求解。

3 工程實例分析

3.1 基本資料及模型建立

以某混凝土重力壩基礎澆筑為例，取壩縱方向長20 m，壩橫方向長60 m,高2 m為混凝土澆筑層，以建基面向下10 m，上下游各30 m為基巖，建立計算模型，網格劃分如圖1所示。計算過程中熱單元采用Solid70，結構單元采用Solid45，以混凝土直接在固定基巖上澆筑為邊界條件，并假定材料性能不隨時間改變，且為簡化模型，僅取2個澆筑層進行計算。

3.2 材料參數

計算模型中，重力壩的基礎分兩層澆筑，每層澆筑1 m,澆筑進程按澆筑1 d，停工1 d進行，水化熱按式(1)～式(3)進行計算[7]：

(1)

(2)

(3)

其中，Qτ為在齡期τ天時的累計水化熱，kJ/kg；Q0為水泥水化熱總量，kJ/kg；τ為齡期，d；n為常數，因水泥品種、比表面積等因素而異。

混凝土澆筑區間外界氣溫為20 ℃，混凝土澆筑時初始溫度為40 ℃，基巖的初始溫度為16.5 ℃，混凝土與空氣以及基巖與空氣之間的對流系數取為2.016，假定在絕熱條件下，基礎與土壤之間不進行熱交換。混凝土及基巖其他力學參數見表1。

表1 混凝土及基巖其他力學參數

4 計算結果分析

4.1 熱分析結果

根據澆筑進程和澆筑層數，混凝土按第一天進行第一層澆筑，第二天停工，第三天澆筑第二層，第四天停工的順序進行。本文采用有限元軟件對計算模型整個澆筑周期內混凝土的溫度場進行了分析：由圖2和圖3可知，第一天最大熱梯度為15.543 5，發生在澆筑第一層，第二天最大熱梯度為11.825 4，發生在地基與空氣的接觸面上；由圖4和圖5可得，第三天最大熱梯度為12.378 7，發生在地基與空氣的接觸面上，第四天最大熱梯度為12.531 1，發生在地基與空氣的接觸面上。

澆筑第一天的最大熱梯度比第二天大得多，而第二天到第四天最大熱梯度相差不大，且都發生在地基與空氣的接觸面，說明第一天混凝土內部熱梯度較大，溫度分布不均勻，混凝土容易產生裂縫而且容易腐蝕引起破壞，澆筑時應注意采取降溫措施；第二天到第四天混凝土內部熱梯度較小，說明溫度比較均勻，混凝土不易被破壞。

4.2 結構分析結果

在進行熱物理場分析的基礎上，再進行結構受力分析，能更好的模擬工程實際中混凝土澆筑的真實情況。由圖6和圖7可以看出：第一天與第二天的位移基本一致，說明第二天的施工對混凝土的豎向位移影響不大；第三天與第四天的位移基本一致(見圖8，圖9)，但是節點的應力有明顯差別，最大應力點位置在發生變化，最大壓應力出現在基巖的邊線，因混凝土抗壓強度高因此可以不用考慮影響，但最大拉應力都出現在基巖的四個角點處，施工時應予以重視。

由圖10～圖13可得混凝土的應力情況，澆筑周期內整體的最大壓應力值基本相似，各澆筑時段的應力分布及整體的最大拉應力有所差別，第一天澆筑混凝土的應力分布在-1.38 MPa～0.83 MPa(受拉為正，受壓為負)，整體最大拉應力0.83 MPa；第二天澆筑的混凝土應力分布在-1.49 MPa～0.83 MPa(受拉為正，受壓為負)，整體最大拉應力0.83 MPa；第三天澆筑混凝土應力分布在-2.63 MPa～0.84 MPa(受拉為正，受壓為負)，整體最大拉應力0.84 MPa；第四天澆筑混凝土應力由云圖可知應力在-2.67 MPa～0.84 MPa(受拉為正，受壓為負)，整體最大拉應力0.84 MPa。

5 結語

1)不同澆筑時間的豎直方向節點位移變化很小，可能是由于沒有考慮混凝土徐變的影響導致的，而節點應力大小差別明顯且最大應力點位置在發生變化，說明有限位移方法對內力的敏感性比對位移的敏感性要大。2)豎直方向的拉壓應力均滿足混凝土強度設計規范，表明該澆筑方案可行；在混凝土澆筑前對澆筑過程進行數值模擬，模擬結果可靠。3)在混凝土澆筑過程中，若減小澆筑層的厚度，可加快混凝土散熱，避免施工混凝土因水化熱反應而發生破壞，但是會增加澆筑層數，延長施工時間。而在大體積混凝土澆筑前，對澆筑過程進行數值模擬，既可保證在水化熱產生的拉應力滿足混凝土抗拉強度要求的情況下，又能尋找到最優澆筑層數，縮短施工時間，使得整個模型達到最優化狀態，對指導工程實際施工具有重要的參考意義。

[1] 張敏玉，文立華，王衛祥.混凝土澆筑過程的數值仿真[J].低溫建筑技術，2005(2):32-33.

[2] 馬建軍,符建云,任 濤.基于ANSYS的大體積混凝土澆筑過程仿真分析[J].水電能源科學，2013,31(11):99-101.

[3] 王仁超,石 英,李名川.小灣大壩混凝土澆筑施工仿真研究[J].四川大學學報(工程科學版)，2004,36(4):10-14.

[4] 李進亮.三維數值仿真技術在箱涵混凝土澆筑[J].水科學與工程技術,2014(1):76-80.

[5] 何本國,陳天宇,王 洋.ANSYS土木工程應用實例[M].第3版.北京：中國水利水電出版社，2011.

[6] 盛和太，喻海良，范訓益.ANSYS有限元原理與工程應用實例大全[M].北京：清華大學出版社，2006.

[7] GB 50496—2009，大體積混凝土施工規范[S].

Simulation study on mass concrete pouring optimization based on APDL modeling

Fu Shuyan Wang Liangzenan Huang Haiyan

(CollegeofWaterResourcesandHydraulicEngineering,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201，China)

Concreting finite element model of mass concrete pouring based on APDL to analyze practical engineering hydration heat problems. Using coupling method to calculate the thermal analysis results of concrete pouring period coupled with structural analysis, and get the stress and strain changing law of the concrete. The results show that, under the premise that the hydration thermal reaction could satisfy the requirement of concrete strength, by reducing the number of layers to optimize the placement model that can achieve both material saving and shorten the duration of the goal.

mass concrete， hydration heat， model, thermal gradient, stress

1009-6825(2016)05-0104-03

2015-12-03

傅蜀燕(1976- )，女，講師

TU755

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