1、1基于 ANSYS 的斜拉桥主塔混凝土浇筑过程水化热分析摘要：以某大跨斜拉桥为工程背景，基于 ANSYS 的 APDL 语言编制相应的命令流程序，建立了斜拉桥索塔的三维有限元模型，对主塔下塔柱第一节段混凝土浇筑过程水化热进行了仿真分析。结果表明，理论计算结果与现场监测较为吻合，验证了理论计算方法的可行性，为该桥的施工监控和其他同类桥梁的计算分析提供了依据。 关键词：ANSYS 斜拉桥 大体积混凝土 温度场 中图分类号：U448.27 文献标识码： A 文章编号： 1.概述 斜拉桥主塔属于大体积高标号混凝土结构，在混凝土浇筑过程的水化反应生热不易较快散失，从而形成结构内部较大的不均匀温度场，导致
2、构件产生截面应力重分布和结构内力重分布，影响结构的变形、裂缝的出现和发展等使用性能，甚至影响极限承载力。本文以某大跨度斜拉桥为工程背景，用 ANSYS 有限元软件模拟主塔节段混凝土浇筑水化反应生热的过程以及由此引起结构的应力，并根据计算结果提出了合理的温控措施。 1.工程概况 某大跨斜拉桥主塔选用花瓶形，塔高 102.5m，采用 C50 钢筋混凝土结构，分节段爬模法施工。下塔柱第 1 节段高 4.5m，分为实体段和单箱单室段。其中实体段高 3m，横桥向宽 5.85-6m，顺桥向宽 10.8-11m；单2箱单室段高 1.5m，横桥向宽 5.77-5.85m，顺桥向宽 10.7-10.8m，横桥向
3、壁厚为 1.2m，顺桥向壁厚为 1.5m。 2.温控计算 2.1 计算模型 根据图纸尺寸取第一节段 1/4 对称部分进行计算，有限元模型如附图 1 所示，建模要点如下： 附图 1 （1）浇筑前模拟参数： 混凝土密度为 2450kg/m3，导热系数为 300.89，比热为 1.01，初温度为 28.7。边界及对流条件如下： 塔座底部和承台之间以及结构对称面与外界环境之间不考虑热交换：HFLUX=0； 第一节段混凝土外侧为钢模板，对流系数取；内侧为木模板， ； 塔座外侧、第 1 节段混凝土表面与空气接触，对流系数取。 当与空气接触或有模板和保温层时，可按下式计算对流系数： 式中，为模板的厚度（m）
4、,取 21mm；为模板的导热系数（W/mK） ，木模板取 0.23；钢模板取 58；为空气的传热系数，可取 23（W/m2K） （2）浇筑后模拟参数： 混凝土密度为 2450kg/m3，泊松比为 0.167，线胀系数为 2.0E-5，参考温度为 28。混凝土弹性模量随时间变化的关系可取指数式： 其中a=0.402，b=0.335， 。则 E(1)=1.29e10Pa,E(7)=2.11e10Pa。 3（3）水化热模拟：在 ANSYS 中，混凝土的水化热是通过生热率来施加的，即单位时间内混凝土的生热率。混凝土的水化反应放热过程与混凝土的绝热温升过程具有一致性，水化生热量取指数经验式。第一节段在内
5、一次浇筑完成，计算浇筑完成后第 T 天的水化反应热量，时间单位以天计。假设时间变量为 T，水化热公式采用 式中，M 为水泥水化速度系数（/d）,取 m=0.45；为龄期内（通常为28d）单位重量水泥的水化放热总量（kJ/kg） ，取；为每立方米混凝土中水泥的实际用量（kg/m3）,取； 为混凝土龄期(d)，为混凝土浇筑时间，取。 （4）徐变模拟：在结果文件的后处理中利用应力松弛系数来考虑混凝土的徐变。根据热应力分析结果文件，计算每一时间段内的温度应力增量，则计算时刻的徐变温度应力为：，为混凝土的应力松弛系数。 2.2 分析过程 大体积混凝土浇筑温度场模拟的实现，关键是要准确模拟施工过程中结构的
6、逐步增长及材料的变化。如混凝土弹性模量随着龄期的增长和混凝土徐变等因素的影响。在计算过程中，主要通过运用单元的生与死和宏命令来实现各项参数，即边界条件和初始条件的变化。首先进行热分析：给塔座和第一节段混凝土分别施加初始温度、边界条件和对流条件，考虑混凝土的水化反应生热影响并求解得到第一节段混凝土浇筑后的温度分布。然后进行结构分析：首先将热单元转化为结构单元，并将热材料转变为结构材料。然后在塔座底部施加固定约束条件，对结构整4体施加重力作用，最后读入热分析的结果作为荷载施加在结构上并求解得到结构的应力分布情况。 3.分析结果 根据温控计算结果，第一节段混凝土在浇筑后的第 5 天最高温度达到了 5
7、3.69，测点处最高温度出现在第 3 天为 43.52，而后温度逐渐下降。监测结果显示：第 1 节段混凝土浇筑后，测点处温度平均在 40。理论结果略比实测值偏大，这是由于混凝土浇筑的过程中内部布置有冷却水管道，可以起到带走混凝土内部热量的作用。诸如此类不能在有限元模型中详尽考虑的因素导致了理论计算结果偏大。混凝土浇筑后早期阶段水化反应生成大量热量，且内部采用木模板保温效果较好、外部采用钢模板散热较快，内外温差较大，导致内部混凝土受压，外部混凝土受拉，容易出现表面裂缝。最大拉应力出现在截面有拐角的地方，因此应特别注意这些部位的混凝土养护工作，采取合理有效的防裂控制措施防止发生开裂。下面根据有限元
8、分析的温度分布结果，对混凝土的温度变形差进行分析。第一节段混凝土浇筑后 1-7 天最高温度变化图和内外侧点温度变化图如附图 34 所示。 附图 2 附图 3 4.结论 本文探讨了用 ANSYS 软件模拟斜拉桥塔柱大体积混凝土浇筑过程中水化反应生热引起的不均匀温度场和应力场，特别是如何合理地选取材料性能参数。研究结果表明：对于大体积、高标号混凝土结构，由于在5混凝土浇筑过程中容易产生较大的水化热能量引起结构内部较大的不均匀温度场，应采用合理的混凝土配比尽量减少水化生热，采取有效的保温措施减小结构内外温差，特别应注意结构截面发生变化地方的养护，防止局部应力过于集中而产生裂缝。现场监测结果与理论分析
9、的对比表明：塔柱表面无明显裂缝出现，温控措施可靠，温控计算结果可信，计算方法可行。另外，在大体积高标号混凝土温控计算中，应合理选取材料参数，如抗拉、压强度，弹性模量及应力松弛系数等的取值。早期混凝土各项性能参数随龄期不断发展变化，对计算结果的影响也较大。 参考文献： 李欣然，陈德伟.斜拉桥主塔中下塔柱连接段水化热温度-应力场分析J.中外公路.2010 年 4 月.第 30 卷第 2 期：131-132 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB504962009.2009-05-13 发布.大体积混凝土施工规范S.北京：中国计划出版社，2009:24 赵英菊，王社良，康宁娟.ANSYS 模拟大体积混凝土浇筑过程的参数分析J.科技信息（科学教研）.2007 年.第 14 期：96-97
