礦山工程施工中溫度測試及應力仿真分析

王 旭

（中鐵十九局集團礦業投資有限公司，北京 100071）

礦山工程施工中溫度測試早期的溫度和應力計算是一個相當復雜的問題，從數學上進行理論解答有很大難度。傳統礦山工程施工中溫度測試結果以圖表、公式計算方式表現，這種方法存在誤差明顯，未能將施工中不同材料的特性考慮進去；假定情況較多，不符合礦山工程施工的特定情況，不能推算出施工材料顳部溫度場分布。當前還無法從理論角度對復雜施工材料溫度應力做出精確測量。隨著現代計算機技術的飛速發展，數值仿真技術則克服了以上缺點，能夠比較真實準確地反映工程中的各種復雜情況，使得復雜條件下施工材料溫度和應力計算成為可能。

1 采用振弦式傳感器的先期測試

為驗證理論分析結論，掌握本工程中溫度、應變變化的大致特點，選擇了一個暗渠試驗段，采用傳統的振弦式傳感器對重點測試部位即墻體的溫度和應變進行了先期試驗。

（1）傳感器定位方案。在進行傳感測試過程中，應注意以下幾個問題：應變傳感器沿暗渠墻體長度方向縱向布置；引出線宜集中布置，并應加以保護；傳感器接頭安裝位置應準確，固定應牢固，并與金屬結構及固定架金屬體絕熱；傳感器周圍應進行保護，施工澆筑過程中，下料時不得直接沖擊測試測溫元件及其引出線；振搗時，振搗器不得觸及傳感器測溫元件及引出線。

（2）溫度測試結果及分析。本次試驗在9月底進行。從澆筑開始，即進行傳感器的數據采集，在澆筑初期，間隔1h測試一次數據，2天后，間隔2h測試一次。整個測試過程持續254h。測試過程中同時監測環境溫度和冷卻水溫。沿墻體厚度溫度分布。位于距底板接縫0.1m和2.1m兩個高度處布置了沿墻體厚度方向的等間距測點。A、B兩個斷面傳感器的測試結果與具有類似的變化規律，但數值并不完全吻合，這與實際現場澆筑過程中的很多不確定因素有關。

（3）應變測試結果及分析。沿墻體厚度方向的應變分布及變化規律。①在升溫階段，施工材料初凝后，由于內、外約束的作用，墻體心部和邊緣處都是受壓的，隨著溫度升高，壓應變開始顯著增加，溫度達到峰值時，壓應變達到最大。②墻體心部（5號）所受到的壓應變明顯大于邊緣（7號）的壓應變。③降溫開始后，心部和邊緣的壓應變都逐漸減小，邊緣位置（7號）在大約70h（3d）左右首先轉變為受拉狀態，心部位置在大約114h（4.8d）后變為受拉狀態。在轉為受拉狀態后，各傳感器的數據開始逐漸趨于一致，并且隨時間的變化很小。

2 模擬施工過程中的溫度應力仿真分析

ANSYS進行熱分析計算的基本原理是先將所處理的對象劃分成有限個單元（包含若干個節點），然后根據能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一節點處的熱平衡方程，由此計算出各節點溫度，繼而進一步求解出其他相關量。

2.1 施工材料澆筑仿真過程

（1）分層澆筑的模擬。暗渠邊墻所用材料數量大，第二階段澆筑墻高6.8m，整個澆筑過程持續時間較長（十幾個小時）。在溫度模擬計算時，應分層或分時間段來考慮材料在豎向（高度方向）上的澆筑時間差。

（2）邊界條件的確定和施加方法。初始條件：結構底板的初始溫度取為實測空氣溫度。邊界條件：在模型對稱界面上無熱對流，按絕熱邊界處理；在與空氣接觸的施工材料表面（每層澆筑上表面）施加熱對流，或通過模板與空氣接觸的施工材料表面（墻體端面及兩側）施加對流；已澆筑底板與新澆筑墻體之間屬于熱傳導情況。

將以上各類邊界條件作為面荷載施加于實體模型的外表面。

表面效應單元利用實體表面的節點形成單元，覆蓋在實體單元表面。因此，表面效應單元只增加單元數量，不增加節點數量，利用表面效應單元可以非常靈活地定義各類表面荷載。

（3）荷載步的確定。瞬態熱分析中的荷載是隨時間變化的，為了表達隨時間變化的荷載，必須將荷載—時間曲線分為荷載步；荷載—時間曲線的每一個拐點為一個荷載步。對于每一個荷載步，必須定義荷載值及時間值，同時必須選擇荷載步為漸變或階躍。

2.2 仿真參數選取

礦山工程施工項目中所使用的材料為C30，在材料型號和配合比已知的情況下，水化放熱規律性就基本知道了。材料的水化熱是依賴于齡期，其計算公式為如下所示：

工程維護結構的熱工參數，主要包括施工材料的導熱系數λ、導溫系數a、比熱c、熱膨脹系數α、水泥水化熱Q等。盡管不同工程所用原材料配合比等有很大差別，但其λ、a、c值的變化幅度不大，對材料的溫度和應力影響相對較小，對工程質量的影響不是很大；不同的工程施工材料的α和Q往往有很大的差異，對溫度應力以及裂縫的影響較為顯著。

2.3 改變工況的仿真結果比較

在對與實際施工過程相一致的工況進行模擬仿真并與實測數據進行比較后，確定了仿真的基本參數。在此基礎上，為了對比不同條件下的溫度和應力分布情況，充分利用仿真計算的優勢，分析不同參數對溫度和應力的影響，以現場實際澆筑狀態為基準，進行了幾種不同工況的仿真分析。進行多工況仿真可以為施工提供重要參考，避免在實際施工中反復改變施工方案，造成財力和人力的浪費。

將單節暗渠的澆筑長度由20m縮短為10m，進行溫度仿真，以分析暗渠一次澆筑長度對溫度峰值及分布規律的影響。單節暗渠長度10m時，根據對稱性其仿真模型取1/2長度。可以看出應力沿長度、高度和厚度方向的分布情況與長度20m時具有類似的規律，即長度方向，中間應力最大，向兩端應力減小；高度方向：低處應力大，隨高度增加應力減小。

3 結語

總之，仿真計算結果和現場測試結果之間總的規律和趨勢都是比較吻合的，但在具體數值上存在一定的差異，分析出現差異的原因主要是環境氣溫的隨機變化，計算時所選用參數的波動性，以及現場傳感器埋設位置的精確程度等，此外，在實際礦山工程施工材料的攪拌及澆注成型過程中還有很多因素是不定的。在使用溫度和應力場有限元成果時，應注意材料參數波動以及邊界條件不確定性等因素可能導致的誤差。