水化热参数化分析

60midasFEATrainingSeries水化热参数化分析一．概要1.水化热分析浇筑混凝土时，水泥在水化过程中产生大量热量会使混凝土的温度升高。虽然随时间的推移混凝土的温度会慢慢冷却，但结构各个位置的温度下降速度不均匀，结构不同位置将发生相对温差，此温差会使混凝土发生温度应力。温度裂缝发生类型混凝土浇筑初期，因内部温度升高将发生膨胀，但混凝土表面的温度下降较快，相对应变较小，从而使混凝土表面产生拉应力。混凝土内部不同的温度分布引起的不同的体积变化而导致的应力称为内部约束应力。此类拉应力裂缝主要发生在构件尺寸比较大的结构。混凝土在高温状态下温度下降会发生收缩，但受到与其接触的已浇筑混凝土或者地基等的约束而产生的拉力，像这样变形受外部边界约束的状态称为外部约束。此类应力主要发生在像墙这样约束度比较大的结构中。利用温度裂缝指数预测温度裂缝韩国混凝土规范中使用温度裂缝指数（抗拉强度与发生的温度应力之比）i值预测是否发生裂缝。一般采用下面的值。FEA程序的水化热分析水化热分析主要分为热传导分析和热应力分析。.热传导分析主要计算水泥的水化过程中发热、传导、对流等引起的随时间变化的节点温度。将得到的节点温度作为荷载加载后，计算随时间变化的应力称为热应力分析。因此通过查看温度分布可以看出输入数据是否有误，如果温度分布没有问题可说明输出的应力结果也是正确的。2.水化热参数化分析水化热分析必须进行反复计算大体积混凝土的温度裂缝可以利用温度裂缝指数(CrackRatio,Icr)来验算。温度裂缝指数要满足结构的重要性、功能、环境条件等因素的要求。温度裂缝指数受水泥的类型、浇筑温度、养生方法等多因素的影响，所以需要对多种条件进行反复分析以找出最佳的浇筑方法。参数化分析功能为比较多种条件的分析结果需要建立多个模型进行分析，分析结束后需要整理大量的分析结果、还要进行结果保存、对比等工作。通过FEA的水化热参数化分析功能，可以实现一个模型多种条件分析。可以大大减少单纯繁琐的反复分析过程，从而提高工作效率。参数化分析的使用方法首先建立一个基本模型，在基本模型里使用替换变量的方式定义分析工况。下图是把材料作为变量条件的示例，“CaseI”为将混凝土C24变更为C30的工况，“CaseII”为将混凝土C35变更为C40的工况。|参数化分析的构成|参数化分析里可以考虑的变量在水化热参数化分析的功能里可以调整的变量有五个，较常用的调整方法具体如下。施工阶段：降低浇筑高度缩小各阶段的温度差。浇筑间距过小的话很难达到分段浇筑的效果，但如果太大分界面会产生较大的温差。.对流边界：对流系数较低时，热量不容易对外流失，可以减少内外温差。材料：使用弹性模量大的材料时，抗拉强度也较大，可增大裂缝指数。发热特性：是变量中最为敏感的因素,定义水化过程中发生的热量。是否考虑自重：使混凝土产生压应力的荷载，在一定程度上可以减少拉应力，但效果不明显。|温度裂缝指数与裂缝发生几率|裂缝指数(i)=混凝土抗拉强度发生的温度应力•防止裂缝发生时：1.5以上•限制裂缝发生时：1.2~1.5•限制有害裂缝发生时：0.7~1.2输入混凝土的散热特性及浇筑条件等混凝土的温度应力裂缝指数OK?ENDYesNo|内部约束产生的裂缝（放热时）||外部约束产生的裂缝（冷却时）|61midasFEATrainingSeries水化热参数化分析midasFEATrainingSeries二．建立基本模型1.结构分析所需的数据水化热参数化分析如前面图形所示。首先建立基本模型，通过在基本模型里定义“Used”和“New”的对应关系来定义分析工况。|进行参数化分析时输入变量的示意图|但是利用这种方法很难输入多个变量，虽然输入热源函数或对流系数函数很简单，但反复定义施工阶段和对流边界面的过程较繁琐。为避免这种繁琐的定义过程，在定义水化热分析变量时，先不定义此两项。而是先定义阶段工况，即按不同的施工方案定义不同的施工阶段工况，然后再对不同的阶段工况定义各自的材料、对流系数等。|进行参数化分析所输入的数据|1)建立模型此操作例题主要介绍“水化热参数化分析”的方法，仅对于相关变量的输入、各种分析条件的定义、查看分析结果部分进行详细说明。导入附件里的“HYD_Pier_Mesh.feb”模型文件。¼对称模型施工阶段水化热分析模型一般单元数量较多，所以分析所需的时间也较长，而且还要进行多条件分析工况的分析，所以需要更多的分析时间。如果模型属于对称模型，可以只建立¼模型以减少分析时间。这样不但可以减少分析时间也有利于查看模型中心部位的分析结果。2)特性时间依存材料特性在FEA里可以考虑徐变/收缩特性和混凝土的抗压强度变化。徐变计算方法可以选择用户定义或者使用规范的计算方法。弹性模量折减方法是假设发生徐变，然后折减混凝土弹性模量的简易计算方法，一般的水化热分析里均使用这种方法。因弹性模量折减方法只适用于水化热分析，为了避免在一般的施工阶段分析中误用，在水化热分析控制里单独定义。采用弹性模量折减方法时，为了要指定计算徐变的单元（通过材料对话框中的相应选项将徐变函数与材料连接起来，然后通过给单元赋予材料将徐变函数与单元连接起来），需要任意定义一个徐变计算方法，但在这里定义的徐变计算方法并不参与水化热分析的徐变的计算。Procedure1.名称:(C30)2.规范:(中国(JTGD62-2004)3.混凝土28天材龄抗压强度:(3.0e7)4.点击[适用]5.名称:(C45)6.混凝土28天材龄抗压强度:(4.5e7)7.点击[确认]1操作步骤Procedure分析分析控制...1.单位体系:确认指定为(N,m,J)操作步骤分析时间依存性材料徐变/收缩62midasFEATrainingSeries水化热参数化分析midasFEATrainingSeries计算裂缝指数用的抗拉强度类型里选择“用户定义”后，用户可以通过表格自定义随时间变化的弹性模量、抗压强度、抗拉强度。选择“设计规范”时，利用规范提供的公式计算弹性模量和抗拉强度。利用抗拉强度计算温度裂缝指数。混凝土抗压强度系数与水泥的种类有关，一般硅酸盐水泥a为4.5,b为0.95。序列号名称抗压强度ab1C30_Normal3.0e74.50.952C45_Normal4.5e74.50.95序列号名称弹性模量泊松比膨胀系数重量密度徐变/收缩抗压强度1Soil1e70.21e-526000--2C30_Normal3.0e100.21e-524517C30C30_Normal3C45_Normal3.35e100.21e-524517C45C45_Normal序列号名称材料1Soil1:Soil2Foundation2:C30_Normal3Pier3:C45_Normal操作步骤Procedure分析时间依存性材料抗压强度1.名称:(C30_Normal)2.类型:设计规范3.规范:ACI4.混凝土28天抗压强度(f28):(3.0e7)5.a:(4.5)6.b:(0.95)7.点击[适用]8.重复上面的步骤定义‘C45_Normal’的强度发展函数。过程Procedure分析材料1.名称:(Soil)2.弹性模量:(1e7)3.泊松比:(0.2)4.膨胀系数.:(1e-5)5.重量密度:(26000)6.点击[适用]7.参考下表输入‘C30_Normal’和‘C45_Normal’特性。Procedure1.点击下拉菜单选择3D。2.参考下表定义三个特性。操作步骤分析特性263midasFEATrainingSeries水化热参数化分析midasFEATrainingSeries地基-1:Soil基础-2:Foundation桥墩-3:Pier3)边界条件对称面边界条件对于Y-Z平面上的所有节点约束DX。需要查看输入的对称边界条件时，可将网格显示为特征边线后查看。如下图所示。7操作步骤Procedure分析材料1.点击“前视图”2.特性:(3D)3.选择“1:Soil”4.选择“3DElement(R)5.选择地基1710个单元6.点击[适用]7.重复上述过程定义基础和桥墩的特性。541操作步骤Procedure分析边界条件约束1.点击“前视图”2.边界组:Sym3.选择Y-Z对称面上的360个节点4.DOF:(T1)5.点击[适用]6.点击“左视图”7.选择X-Z对称面上的705个节点8.自由度:(T2)9.点击[确认]364midasFEATrainingSeries水化热参数化分析midasFEATrainingSeries固结边界条件水化热分析模型里建立地基时，一般将地基下部的边界条件设为完全固结。混凝土产生的热量将充分地传递给地基，后续不再传递温度，也不存在温差，所以也不会发生相对位移。为了让混凝土产生的热量充分地传递给地基，需要建立足够大的地基模型。2.热传导分析所需的数据1)材料的热特性数据定义水化过程产生的热传递的特性。模型单元内的热传导由比热和热传导率确定，单元外的散热由下一节定义的对流系数来确定。|一般岩体和混凝土的热工系数|热传导率(W/m2·°C)比热(kJ/kg·°C)岩体1.7~5.20.71~0.88混凝土2.6~2.81.05~1.26|热工特性|序列号材料名称热传导率比热1Soil3.457842C30_Normal2.711763C45_Normal2.7117655操作步骤Procedure分析边界约束1.边界组:Support2.点击“前视图”3.选择地基的外部轮廓4.点击“左视图”5.选择地基的外部轮廓6.自由度:(T1,T2,T3)实体单元没有旋转自由度所以只选择上述三个自由度。7.点击[确认]Procedure1.定义的材料列表里选择1:Soil2.点击[修改]3.点击[热工参数…]4.传导率:(3.45)5.比热:(784)6.点击[确认]7.参考下表输入混凝土的热特性值。操作步骤分析材料65midasFEATrainingSeries水化热参数化分析midasFEATrainingSeries2)固定温度为了定义实体单元表面与外界的热传递关系，需要定义相应的对流边界条件。固定温度边界、对流边界、绝热边界如下图所示。3)发热特性输入混凝土的绝热温度上升曲线。混凝土的发热特性应根据材料配合比条件不同会有所不同，所以对于实际工程项目要进行绝热温度上升试验，然后在自定义类型里输入实验结果数据。没有实验数据时可以根据混凝土规范里的说明输入数据。固定温度隔热边界对流边界绝热边界输入DX，DY对称边界的部分。不输入与外界的热传递关联数据时，自动认为是绝热边界。仅单元内部进行热传递，不对外散热。固定温度边界固定温度边界条件意味着该边界处的温度为恒定值，不随时间发生变化，该边界处输入的温度会一直不变。对流边界（热传导边界）通过对流系数定义各时刻与外部交换的热量。对于不同的模板输入不同的对流系数。操作步骤Procedure分析水化热分析强制温度1.边界组:(PrescribedTemp)2.点击“前视图”3.选择地基的外部轮廓4.点击“左视图”5.选择地基的外部轮廓6.温度:(20)7.点击[确认]Procedure1.H/S荷载组:(Heat)2.点击“前视图”3.选择混凝土的3549个单元4.点击“热源函数”5.函数名称:(Normal)6.勾选“设计标准”7.水泥类型:(普通硅酸盐水泥)8.温度:(20)9.单位体积水泥用量.:(320)10.点击[确认],点击[确认]操作步骤分析水化热热源66midasFEATrainingSeries水化热参数化分析midasFEATrainingSeries三．输入参数1.发热特性此操作例题里定义了四个工况，工况中调整了施工阶段、热源函数、对流系数。下边的表格里标记为‘-’的使用与ControlGroup相同的条件。|工况|序列号工况施工阶段发热函数对流系数1Controlgroup4段分段浇筑普通硅酸盐水泥钢模板2Stage9段分段浇筑--