基于ANSYS的鐵尾礦砂混凝土凍融循環溫度應力分析

（遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001；重慶交通大學，重慶 404100；武漢科技大學，湖北 武漢 430080）

1 基于ansys 的溫度場模擬

1.1 材料參數設置

陳秀云2發現40%取代率的C30 鐵尾礦砂混凝土的抗壓強度，抗拉強度，彈性模量，泊松比，應力—應變關系與普通C30 混凝土最為接近的，本次模擬采用40%替代率的C30 鐵尾礦砂混凝土，試樣尺寸為φ100mm×200mm，模擬試塊放入凍融試驗箱進行20 次凍融循環試驗，采用慢凍法，一次凍融循環時間T=8h，其中凍結時最低溫度Temp1=-20 ℃開始計時，時間為4h；融化時間從凍融箱內溫度恒定在最高溫度Temp2=20 ℃開始計時，時間為4h。設置鐵尾礦砂混凝土材料主要的熱物理學性能如下表1所示。

表1 鐵尾礦砂混凝土熱力學參數

1.2 建模與求解

本文中鐵尾礦砂混凝土圓柱體滿足幾何形狀中的對稱條件，鐵尾礦砂混凝土的外壁受到同樣的溫度荷載，邊界條件，即溫度荷載與邊界條件也是對稱的，可以按照對稱問題求解。根據鐵尾礦砂混凝土圓柱體的縱截面，建立下圖1的ANSYS 模型。

鐵尾礦砂混凝土在凍融條件下的模擬使用瞬態熱分析法，瞬態熱分析用于分析熱參數在系統溫度場隨時間變化時的變化，本模型先使用PLANE55單元實現溫度場分析，然后轉換溫度單元為結構單元PLANE13 來實現溫度應力的求解。網格劃分采用自由網格劃分，每條邊的單元數量為20 個。荷載步設置為1 次凍融由1 個凍結荷載步和1 個融化荷載步組成，荷載步設置為階躍式，子步數量為100，凍融采用DO 循環命令。邊界條件選取為第三類邊界條件。

通過ANSYS POST1 通用后處理器程序，得到試塊在第20 次凍融循環次數后的水平方向及垂直方向的溫度應力分布云圖，如圖2，圖3。通過ANSYS POST26 時間—歷程后處理器，得到模型上、中、下三個節點的X 向溫度應力-時間曲線如圖4，圖5，圖6。

圖1 鐵尾礦砂混凝土圓柱體有限元模型簡化圖

圖2 20次凍融循環次數后混凝土試樣水平向X 應力云圖（左：凍結 右：融化）

圖3 20次凍融循環次數后混凝土試樣垂向Y 應力云圖（左：凍結 右：融化）

圖4 上節點X 應力時間曲線

圖5 中節點X 應力時間曲線

圖6 下節點X 應力時間曲線

2 鐵尾礦砂混凝土凍融循環溫度應力分析

由20 次凍融循環后鐵尾礦砂混凝土試樣溫度應力云圖可以看出：試塊溫度應力受到外界溫度變化的影響大，20 次凍結之后豎直方向溫度應力對稱分布，混凝土試樣左右區域以拉應力為主，且數值較大，上下區域的也存在拉應力，但數值較小。混凝土試樣中心區域以壓應力為主，數值較拉應力小，如圖3（左）所示。20 次融化過程之后，豎直方向拉應力主要分布于試樣內部，而壓應力主要分布于試樣外圍，如圖3（右）所示。相對比之下，20 次凍結，融化之后混凝土水平方向溫度應力也呈現出對稱分布，但其內部在凍結，融化時分別產生的壓應力，拉應力區域面積比豎直方向溫度應力產生的壓應力，拉應力區域面積大，如圖2所示。

從所選的上中下三個節點的溫度應力-時間曲線（圖4，圖5，圖6）可以知道：溫度荷載造成的混凝土壓應力數值在0～6.0Mpa 之間，拉應力在0～5.5Mpa 之間，試樣節點的溫度應力隨著凍融循環時間的變化也在變化，呈現出鐵尾礦砂混凝土受到的拉應力與壓應力循環交替變化的特征。但是鐵尾礦砂混凝土的極限抗壓強度遠遠大于極限抗拉強度，其極限抗拉強度一般為1～3Mpa，鐵尾礦砂混凝土在凍結和融化時的表面產生的拉應力數值超過其極限抗拉強度時，混凝土內部產生的拉應變使混凝土混凝土表觀形貌發生劣化，而且主要集中在試樣邊緣區域，使骨料脫落演化為片落，混凝土質量下降，在混凝土內部循環的溫度應力作用下，產生的應變也逐漸變大，凍融損傷開始了，微小的損傷不斷積累引起微小裂紋，裂紋逐步疊加擴展使混凝土內部骨料逐漸疏松，宏觀力學性能開始下降，直至鐵尾礦砂混凝土凍融損傷破壞至失去工作性能。

3 結論

凍融循環會在鐵尾礦砂混凝土表面區域和內部產生循環的溫度應力，在溫度應力的影響下，產生的拉應力會超過鐵尾礦砂混凝土的極限抗拉強度，凍融損傷加劇疊加，有限元 ANSYS 軟件數值模擬為研究鐵尾礦砂混凝土凍融循環破壞機制提供思路上的借鑒。