基于ANSYS的鐵尾礦砂混凝土凍融循環(huán)溫度應(yīng)力分析

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001；重慶交通大學(xué)，重慶 404100；武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430080）

1 基于ansys 的溫度場(chǎng)模擬

1.1 材料參數(shù)設(shè)置

陳秀云2發(fā)現(xiàn)40%取代率的C30 鐵尾礦砂混凝土的抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，彈性模量，泊松比，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與普通C30 混凝土最為接近的，本次模擬采用40%替代率的C30 鐵尾礦砂混凝土，試樣尺寸為φ100mm×200mm，模擬試塊放入凍融試驗(yàn)箱進(jìn)行20 次凍融循環(huán)試驗(yàn)，采用慢凍法，一次凍融循環(huán)時(shí)間T=8h，其中凍結(jié)時(shí)最低溫度Temp1=-20 ℃開始計(jì)時(shí)，時(shí)間為4h；融化時(shí)間從凍融箱內(nèi)溫度恒定在最高溫度Temp2=20 ℃開始計(jì)時(shí)，時(shí)間為4h。設(shè)置鐵尾礦砂混凝土材料主要的熱物理學(xué)性能如下表1所示。

表1 鐵尾礦砂混凝土熱力學(xué)參數(shù)

1.2 建模與求解

本文中鐵尾礦砂混凝土圓柱體滿足幾何形狀中的對(duì)稱條件，鐵尾礦砂混凝土的外壁受到同樣的溫度荷載，邊界條件，即溫度荷載與邊界條件也是對(duì)稱的，可以按照對(duì)稱問題求解。根據(jù)鐵尾礦砂混凝土圓柱體的縱截面，建立下圖1的ANSYS 模型。

鐵尾礦砂混凝土在凍融條件下的模擬使用瞬態(tài)熱分析法，瞬態(tài)熱分析用于分析熱參數(shù)在系統(tǒng)溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化時(shí)的變化，本模型先使用PLANE55單元實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)分析，然后轉(zhuǎn)換溫度單元為結(jié)構(gòu)單元PLANE13 來實(shí)現(xiàn)溫度應(yīng)力的求解。網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分，每條邊的單元數(shù)量為20 個(gè)。荷載步設(shè)置為1 次凍融由1 個(gè)凍結(jié)荷載步和1 個(gè)融化荷載步組成，荷載步設(shè)置為階躍式，子步數(shù)量為100，凍融采用DO 循環(huán)命令。邊界條件選取為第三類邊界條件。

通過ANSYS POST1 通用后處理器程序，得到試塊在第20 次凍融循環(huán)次數(shù)后的水平方向及垂直方向的溫度應(yīng)力分布云圖，如圖2，圖3。通過ANSYS POST26 時(shí)間—?dú)v程后處理器，得到模型上、中、下三個(gè)節(jié)點(diǎn)的X 向溫度應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖4，圖5，圖6。

圖1 鐵尾礦砂混凝土圓柱體有限元模型簡(jiǎn)化圖

圖2 20次凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土試樣水平向X 應(yīng)力云圖（左：凍結(jié) 右：融化）

圖3 20次凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土試樣垂向Y 應(yīng)力云圖（左：凍結(jié) 右：融化）

圖4 上節(jié)點(diǎn)X 應(yīng)力時(shí)間曲線

圖5 中節(jié)點(diǎn)X 應(yīng)力時(shí)間曲線

圖6 下節(jié)點(diǎn)X 應(yīng)力時(shí)間曲線

2 鐵尾礦砂混凝土凍融循環(huán)溫度應(yīng)力分析

由20 次凍融循環(huán)后鐵尾礦砂混凝土試樣溫度應(yīng)力云圖可以看出：試塊溫度應(yīng)力受到外界溫度變化的影響大，20 次凍結(jié)之后豎直方向溫度應(yīng)力對(duì)稱分布，混凝土試樣左右區(qū)域以拉應(yīng)力為主，且數(shù)值較大，上下區(qū)域的也存在拉應(yīng)力，但數(shù)值較小。混凝土試樣中心區(qū)域以壓應(yīng)力為主，數(shù)值較拉應(yīng)力小，如圖3（左）所示。20 次融化過程之后，豎直方向拉應(yīng)力主要分布于試樣內(nèi)部，而壓應(yīng)力主要分布于試樣外圍，如圖3（右）所示。相對(duì)比之下，20 次凍結(jié)，融化之后混凝土水平方向溫度應(yīng)力也呈現(xiàn)出對(duì)稱分布，但其內(nèi)部在凍結(jié)，融化時(shí)分別產(chǎn)生的壓應(yīng)力，拉應(yīng)力區(qū)域面積比豎直方向溫度應(yīng)力產(chǎn)生的壓應(yīng)力，拉應(yīng)力區(qū)域面積大，如圖2所示。

從所選的上中下三個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度應(yīng)力-時(shí)間曲線（圖4，圖5，圖6）可以知道：溫度荷載造成的混凝土壓應(yīng)力數(shù)值在0～6.0Mpa 之間，拉應(yīng)力在0～5.5Mpa 之間，試樣節(jié)點(diǎn)的溫度應(yīng)力隨著凍融循環(huán)時(shí)間的變化也在變化，呈現(xiàn)出鐵尾礦砂混凝土受到的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力循環(huán)交替變化的特征。但是鐵尾礦砂混凝土的極限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極限抗拉強(qiáng)度，其極限抗拉強(qiáng)度一般為1～3Mpa，鐵尾礦砂混凝土在凍結(jié)和融化時(shí)的表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力數(shù)值超過其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)變使混凝土混凝土表觀形貌發(fā)生劣化，而且主要集中在試樣邊緣區(qū)域，使骨料脫落演化為片落，混凝土質(zhì)量下降，在混凝土內(nèi)部循環(huán)的溫度應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的應(yīng)變也逐漸變大，凍融損傷開始了，微小的損傷不斷積累引起微小裂紋，裂紋逐步疊加擴(kuò)展使混凝土內(nèi)部骨料逐漸疏松，宏觀力學(xué)性能開始下降，直至鐵尾礦砂混凝土凍融損傷破壞至失去工作性能。

3 結(jié)論

凍融循環(huán)會(huì)在鐵尾礦砂混凝土表面區(qū)域和內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)的溫度應(yīng)力，在溫度應(yīng)力的影響下，產(chǎn)生的拉應(yīng)力會(huì)超過鐵尾礦砂混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，凍融損傷加劇疊加，有限元 ANSYS 軟件數(shù)值模擬為研究鐵尾礦砂混凝土凍融循環(huán)破壞機(jī)制提供思路上的借鑒。