Midas-fea-隧道錨水化熱參數分析

【摘 要】 澆筑混凝土時，水泥在水化熱過程中產生大量熱量會使混凝土的溫度升高。雖然隨時間的推移混凝土的溫度會慢慢冷卻，但結構各個位置的溫度下降不均勻，結構不同位置將發生相對的溫差，此溫差會使混凝土發生溫度應力。

【關鍵詞】 混凝土 熱量 升溫

引 言

目前大體積混凝土、高強混凝土以及耐久性混凝土正被廣泛應用于實際工程中，由水化熱引起的溫度裂縫也逐漸成為設計人員所關注。水化熱引起的溫度裂縫大多發生在結構施工初期寬度較大且貫通裂縫比較多，對結構的耐久性、透水性會產生嚴重影響，因此在設計、施工以及監理階段需要詳細驗算水化熱引起的溫度應力。

外部約束應力是因為已澆筑的混凝土或地基表面約束了正在澆筑的混凝土的溫度變形而發生的應力。外部約束的影響與接觸表面的寬度和外部約束剛度有關。水化熱分析包括熱傳導分析（Heat Transfer Analysis）和溫度應力分析（Thermal Stress Analysis）兩個過程。

熱傳導分析是計算節點溫度隨時間的變化量，即計算因水泥水合過程中發生的放熱、對流、傳導引起的節點溫度變化。溫度應力分析是使用熱傳導分析得到的各時間段的節點溫度分布以及材料隨時間變化的特性、混凝土隨時間變化的收縮、混凝土隨時間和應力變化的徐變等，計算大體積混凝土各施工階段應力。

1 工程概況

四川岸、云南岸的錨體構造、結構尺寸均相同，兩岸錨體長度均為28m，前錨面7×8m（寬×高），為頂部為圓弧形的實心斷面，圓弧半徑3.5m，后錨面7×11.6m（寬×高），采用C30聚丙烯纖維微膨脹抗滲混凝土建立模型，兩岸錨體長度均為28m，前錨面7×8m（寬×高），為頂部為圓弧形的實心斷面，圓弧半徑3.5m，后錨面7×11.6m（寬×高）建立模型，運行模型。

對比手算結果，溫度應力誤差很小。

2 結論

本文簡單介紹了混凝土水化熱分析的方法，利用Midas-fea軟件對隧道錨建立仿真模型計算，對月亮灣大橋隧道錨在實際施工過程中的各種溫度控制和監測控制作了簡單的闡述，并對溫度控制監測結果進行了記錄和整理。在此基礎上，綜合分析檢測結果，可以得到以下結論：

1）本文利用MIDAS-fea軟件建立了有限元模型，模擬了大體積混凝土隧道錨的溫度應力場，控制的溫度基本上與計算結果一致。

2）在控制溫度的措施上最有效的就是添加冷凝管并通冷水。

3）每一層混凝土水化熱的峰值一般出現在建筑完成后的78小時左右。

4）混凝土升溫速率快，降溫速率慢，尤其在結構內部，溫度比較高。

5）可以通過增加冷凝管的進出口數量，減少冷凝管的長度。

3 提出問題

Midas-fea軟件在仿真分析時會出現那些與實際情況不符合的情況？

在進行有限元分析的時候，比如這個模型，隧道錨體內有鋼筋束，我們在建模的時候未有考慮鋼筋對大體積混凝土裂縫控制的影響，并沒在模型中很好的反映出來，比如實際溫度已經超過規范允許值，但隧道錨未檢查出溫度裂縫的情況。

在進行加設強制溫度的時候，常常會對內部結構進行圈選，不能有效的完整的把表面結構完全的選入，在建模的情況下，不可避免的會發生這些情況。

在冷凝管添加的時候，在模型進行六面體的網格分析過程時，模型內部無法完整的按照規則的六面體進行劃分，導致在最后添加冷凝管的時候，不能像cad圖紙上完全的表現出來，會出現曲折的現象，冷凝管的添加會直接的影響模型最后的溫度范圍在3～4度之間。當然，在添加冷凝管時，經常會錯選錯點到下層的點上，在消隱的時候會發現冷凝管錯中復雜，應該在添加的同時，進行每層的消隱，看看是否有錯誤發生。

模型缺陷，隧道錨是一個完整的封閉的物體，在建模的同時需要在錨體的周邊添加封閉體，而不是簡單的在錨體表面添加各種約束，個人認為在修建隧道錨的同時也是一個對外環境進行熱交換的時候，在外表面加上物體有利于更好的反映物體熱交換的體現。

網格劃分問題，因為是簡單建模，在劃分網格的時候選取了大網格的劃分，大網格劃分不能直接體現有限元分析的精確性，在劃分網格時，應該選取小網格劃分來分割模型，這樣更有利與模型數據的正確性和精確性。

【參考文獻】

[1] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[2] 重慶交通大學，錨碇大體積混凝土配制及關鍵施工技術研究.

[3] 厚壁空心高墩施工階段混凝土水化熱溫度效應研究，蘭州交通大學， 橋梁與隧道工程，2013.

[4] 大體積混凝土早期水化熱溫度場有限元分析，西南大學， 農業生物環境與能源工程，2013.

作者簡介：黃梓恒 1993.3.5 男 漢 重慶 研究生 大跨徑橋梁設計理論;重慶市南岸區學府大道66號重慶交通大學