施工阶段水化热分析

水化热施工阶段分析1施工阶段水化热分析目录概要3分析模型截面数据/5材料热特性值/7结构建模8设定建模环境/8定义构件材料/9定义时间依存材料/10连接一般材料与时间依存材料/11建立结构模型/12输入水化热分析数据25水化热分析控制/25输入大气温度/26输入对流系数/27定义固定温度条件/31定义放热函数/32定义施工阶段/34运行结构分析37查看分析结果37查看温度变化/38查看应力变化/40查看时程图形/42使用动画查看结果/46水化热施工阶段分析3概要目前大体积混凝土、高强混凝土以及耐久性混凝土正被广泛应用于实际工程中，由水化热引起的温度裂缝也逐渐成为设计人员所关注的课题。水化热引起的温度裂缝大多发生在结构施工初期宽度较大且贯通裂缝比较多，对结构的耐久性、透水性会产生严重影响，因此在设计、施工以及监理阶段需要详细验算水化热引起的温度应力。另外，大体积混凝土结构是分阶段浇筑的，分阶段浇筑的混凝土具有不同的混凝土材龄和热特性值，所以必须分施工阶段做水化热分析。因混凝土水化热引起的温度应力大体分为内部约束应力和外部约束应力。内部约束应力是因为混凝土温度分布的不平衡约束了结构体积的膨胀而发生的应力。在水化反应初期，混凝土表面温度和内部温度差使混凝土表面发生张拉应力；在温度下降阶段因为内部收缩变形大于表面，所以在混凝土内部发生张拉应力。内部约束应力的大小与结构物内外温度差成比例。外部约束应力是因为已浇筑的混凝土或地基表面约束了正在浇筑的混凝土的温度变形而发生的应力。外部约束的影响与接触表面的宽度和外部约束刚度有关。水化热分析包括热传导分析(HeatTransferAnalysis)和温度应力分析(ThermalStressAnalysis)两个过程。热传导分析是计算节点温度随时间的变化量，即计算因水泥水合过程中发生的放热、对流、传导引起的节点温度变化。温度应力分析是使用热传导分析得到的各时间段的节点温度分布以及材料随时间变化的特性、混凝土随时间变化的收缩、混凝土随时间和应力变化的徐变等，计算大体积混凝土各施工阶段应力。本例题对分两阶段浇筑的基础做了施工阶段分析。高级应用例题4分段浇筑的混凝土水化热施工阶段分析的建模和分析过程如下。输入一般构件的材料特性值弹性模量、比热、热传导系数输入时间依存性材料特性徐变和收缩、考虑弹性模量的变化建立结构模型建立单元和边界条件水化热分析控制定义积分常数、初始温度环境温度函数对流系数函数单元对流边界输入环境温度函数和对流系数函数之后，定义单元对流边界。固定温度对温度不随时间变化的部分输入固定温度热源函数分配热源输入热源函数之后分配给相应单元管冷考虑管冷时，输入有关数据(选择步骤)施工阶段定义各施工阶段的单元和边界条件运行结构分析热传导分析和温度应力分析查看分析结果查看各时间段温度分布和温度应力*为了明确分析因材龄不同引起的混凝土间的内部约束影响，在本例题中没有包含管冷步骤。关于管冷的内容请参照主页上的“例题7.水化热分析”。水化热施工阶段分析5分析模型截面数据本例题使用了实际设计当中经常使用的大体积平板基础作为水化热分析的模型。如图1所示，分两阶段浇筑基础平板。第一次浇筑170小时以后浇筑第二段，对第二阶段浇筑的混凝土水化热分析时间为930小时。如图1所示，如果将地基作为弹性支撑建立水化热分析模型的话，则不能正确体现混凝土的热量向地基传播的过程。所以应将地基建成具有比热和热传导率等特性的构件，才能正确反应结构物的水化热传播过程。地基:24x19.2x3m筏板基础(第一阶段浇筑):14.4x9.6x2.4m(170小时)筏板基础(第二阶段浇筑):14.4x9.6x2.4m(930小时)水泥类型:低热水泥图1水化热施工阶段分析模型24m19.2m3m2.4m2.4m地基第一阶段混凝土第二阶段混凝土14.4m9.6m高级应用例题6因为本例题模型具有对称性，所以如图2所示可以使用1/4模型做结构分析。使用对称模型不仅缩短了分析时间，在查看混凝土内部的温度分布和应力分布时也非常方便。图2水化热施工阶段分析模型(1/4对称模型)15@0.8=1212@0.8=9.64@0.6=2.44@0.6=2.45@0.6=39@0.8=7.26@0.8=4.8水化热施工阶段分析7材料热特性值使用的材料以及热特性值参见表1。表1使用材料以及热特性值构件位置物理特性下层基础上层基础地基比热(kcal/kg℃)0.250.250.2比重(kgf/m3)250025001800热传导率(kcal/mhr℃)2.32.31.7对流系数(kcal/m2hr℃)暴露表面121212钢模板1212-大气温度(℃)2020-浇筑温度(℃)2020-91日抗压强度(kgf/cm2)270270-强度进展系数a=4.5b=0.95a=4.5b=0.95-91日弹性模量(kgf/cm2)2.7734×1052.7734×1051.0×104热膨胀系数1.0×10-51.0×10-51.0×10-5泊松比0.180.180.2单位体积水泥含量(kgf/m3)320320-放热函数系数K=33.97a=0.605K=33.97a=0.605-本例题使用低热水泥，最大绝热温升(K)和导温系数(a)使用单位体积水泥含量的有关实验数据。高级应用例题8结构建模设定建模环境打开新项目(新项目)，保存(保存)为“水化热施工阶段.mcb”。文件/新项目文件/保存(施工阶段水化热)如图3所示，将单位体系设置为m,kgf。工具/单位体系长度m；力kgf图3设定单位体系水化热施工阶段分析9定义构件材料输入筏式基础和地基的材料。模型/特性值/材料一般材料号1;名称(筏式基础);类型混凝土混凝土设计标准KS-Civil(RC);C270热传导比热(0.25);热传导(2.3)一般材料号2;名称(地基);类型用户定义弹性模量(1.0e+8);泊松比(0.2)导热系数(1.0e-5);比重(1800)热传导比热(0.2);热传导(1.7)图4定义构件材料高级应用例题10定义时间依存材料为了考虑徐变、收缩以及弹性模量的变化，定义时间依存材料。模型/特性值/时间依存材料(徐变/温度收缩)名称(徐变/温度收缩);设计标准编辑弹性模量编辑弹性模量n1(3);phi1(0.73);n2(5);phi2(1)模型/特性值/时间依存材料(强度进展)名称(C);类型设计标准设计标准韩国标准混凝土91天抗压强度(S91)(2700000)系数a(4.5);b(0.95)图5定义时间依存材料有关强度进展公式的设计规范说明请参照用户在线手册中的“CIVIL的功能模型特性值时间依存材料(强度进展)”章节。定义编辑弹性模量的方法请参照韩国混凝土标准规范29章大体积混凝土章节。水化热施工阶段分析11连接一般材料与时间依存材料将前面定义的一般材料与时间依存材料连接起来。模型/特性值/连接时间依存材料时间依存材料类型徐变/收缩徐变/收缩时间依存材料类型弹性弹性选择分配的材料材料1:筏式基础操作图6连接一般材料和时间依存材料高级应用例题12建立结构模型首先在地基下面四周建立节点(位置由用户随意选定)，连接节点建立平面单元，使用扩展单元功能建立实体单元。点栅格(关);捕捉点栅格(关);捕捉轴网(关)顶面自动对齐模型节点建立节点坐标(0,0,0);(12,0,0);(12,9.6,0);(0,9.6,0)模型单元建立单元单元类型板连接节点(1,2,3,4)图7建立地基板单元水化热施工阶段分析13使用扩展单元功能建立实体单元模型。标准模型单元扩展单元全选扩展类型平面单元实体单元原目标删除(开)单元类型实体单元;材料1:筏式基础生成方式移动间距等间距dx,dy,dz(0,0,7.8)图8建立实体单元高级应用例题14分割单元使用分割单元功能分割单元。单元形状可以建成同结构形状类似，对于应力变化较大的区域以及用户关心的部位可以将单元的大小分割得小一些密一些。地基部分的单元不必划分得太细，划分单元的原则之一为同一单元内的应力变化不要太大。本例题为了建模方便将模型划分成了同一大小的单元。模型/单元/分割单元全选分割单元单元类型实体单元;等间距分割数量x:(15);y:(12);z:(13)消隐显示节点节点(关)图9分割实体单元水化热施工阶段分析15使用扩展单元功能和分割单元功能建立四边形立体单元网格，然后删除模型中不需要的单元。正面收缩模型单元删除单元窗口选择(图10的①)类型选择;自由节点(开)图10删除单元高级应用例题16将视点转换到左面，删除没有包含在模型中的单元。左面模型单元删除单元窗口选择(图11的①)类型选择;自由节点(开)标准图11删除单元ZY左面①水化热施工阶段分析17因为使用扩展单元功能建立实体单元时，构件的材料均定义成了混凝土，所以应修改地基的材料。树形菜单工作表单窗口选择(图12的①)特性值材料2:地基(拖放)图12赋予地基材料特性拖放①修改单元特性时可以使用修改单元特性值命令。高级应用例题18建立单元群和边界群为乐做施工阶段分析，首先要定义各施工阶段(constructionstage)内激活和钝化的单元群和边界群，并利用单元群和边界群定义施工阶段。首先建立结构群。群结构群新建...定义结构群名称地基定义结构群名称筏式基础(下层)定义结构群名称筏式基础(上层)图13建立结构群C水化热施工阶段分析19定义单元群将单元赋予前面定义的结构群。首先将地基部分赋予名称为“地基”结构群。树形菜单群表单窗口选择(图14的①)结构群地基(拖放)图14定义结构群(地基)拖放①高级应用例题20定义第一阶段浇筑的筏式基础的下层和第二阶段浇筑的筏式基础的上层为不同的结构群。树形菜单群表单窗口选择(图15的①)结构群筏式基础(下层)(拖放)窗口选择(图15的②)结构群筏式基础(上层)(拖放)图15定义结构群(筏式基础(下层)和筏式基础(上层))拖放拖放①②水化热施工阶段分析21定义边界群为了按群的方式输入边界条件，如图16所示定义边界群。群边界群新建...定义边界群名称约束条件定义边界群名称对称条件定义边界群名称固定温度条件定义边界群名称对流边界;序号1to3图16定义边界群C高级应用例题22以群的方式输入地基的边界条件。为了方便建模，使用正面和左面功能建立多个建模窗口。窗口/新窗口左面;消隐;收缩点栅格(关);捕捉点栅格(关);捕捉轴网(关)模型空间窗口/水平排列对齐缩放(模型空间和模型空间:1)模型/边界条件/支撑窗口选择(图17的①)窗口选择(图17的②)边界群名称约束条件选项添加支撑类型D-All(开)图17定义地基的边界条件FrontViewLeftView实体单元没有旋转方向自由度，所以只约束移动方向自由度。水化热施工阶段分析23查看输入的地基边界条件。标准;最大(图17的③)图18输入的地基边界条件高级应用例题24因为是1/4对称模型，所以输入对称边界条件。正面;收缩(关)窗口/水平排列模型/边界条件/支撑窗口选择(图19的①)边界群名称对称条件;选项添加支撑类型Dx(开)窗口选择(图19的②)边界群名称对称条件;选项添加支撑类型Dy(开)图19输入对称边界条件(1/4对称模型)正面左面X轴-对称条件Y轴-对称条件①②水化热施工阶段分析25输入水化热分析数据水化热分析控制建立了结构模型之后输入热传导分析所需的时间离散系数、初始温度以及输出的应力位置。模型空间最大分析/水化热分析控制最终阶段最后阶段积分系数(0.5)初始温度(20)输出应力位置高斯点徐变和收缩(开);类型徐变和收缩图20输入水化热分析控制数据해석조건지정에관한설명은AnalysisforCivilStructures의“수화열해석”과on-l