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387 We Analyze and Design the Future 第二章 | 水化热分析 midas FEA 2-1 概要 大体积混凝土水化热产生的温度应力会使结构发生裂缝,不仅会降低结构的耐久性而且也会影响结构的稳定性。浇注大体积混凝土时为了有效地控制裂缝需要改善温度和应力的分布,所以需要进行水化热分析。进行水化热分析时虽然大体积混凝土结构的尺寸根据结构形式、使用的材料以及施工条件的不同而不同,但是一般以板厚在800 ～1000mm以上,下端固定的墙厚在500mm以上为基准。 水化热的裂缝可分为表面裂缝和贯通裂缝两种。表面裂缝是由于混凝土表面和内部的散热条件不同,温度外低内高,形成了温度梯度,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力,表面的拉应力超过混凝土抗拉强度而引起的。贯通裂缝是由于大体积混凝土在强度发展到一定程度后,混凝土逐渐降温,这个降温差引起的变形加上混凝土收缩引起的体积收缩应变受到地基和其他结构边界条件的约束时产生的拉应力超过混凝土抗拉强度时可能产生贯通整个界面的裂缝。这样的水化热分析大体上可分为反映水泥水化过程中发生的发热、对流、传导等现象的热传递(heat transfer) 分析以及反映由温度、材龄引起的弹性模量的变化、收缩和徐变现象的热应力(thermal stress)分析。 第二章水化热分析 We Analyze and Design the Future 388 第六部分 热传递分析 midas FEA 2-2 热传递分析 在热传递分析里主要计算水泥的水化过程中发热、传导、对流等引起的随时间变化的节点温度。-,热传导率的单位是 /( ) o kcal m h C ??。混凝土的热传导率在温度上升时虽然呈现下降趋势,但是在大气温度范围内并没有较大的变化。水化热分析里应用的热传递单元和可用的荷载/边界条件如下所示: 单元 水化热分析里只有实体单元(solid e lement)和桁架单元(truss element) 可用于热传递。水化热分析中的热应力分析里还包括加劲单元(reinforcement element)。 初始温度 混凝土浇注时的温度是水、水泥和骨材的平均温度,也是分析的初始条件。可以按各阶段定义不同的初始温度,但是不能在不同的节点上定义不同的初始温度。 固定温度 固定温度是热传递分析的边界条件,水化热分析里一般使用定值。 对流水化热分析里考虑与外部热交换的自由对流和考虑水管冷却的强制对流。自由对流里环境温度是混凝土浇筑后养生阶段的环境温度,可以输入一定的温度或者正弦函数以及随时间变化的温度。一般情况下大体积混凝土的温度分析里应用的对流问题是混凝土的表面和大气的热交换,所以对流系数可按式()的经验公式计算。 22 (/( )) (/( ))(/sec) f h kcal m h C h h kcal m h C V m ??= + = ??+ () 水管冷却是在混凝土结构内部埋设管道,通过循环管道内的低温流体进行热交换来降低水化热引起的温度上升。 389 We Analyze and Design the Future 第二章 | 水化热分析 midas FEA 热源热源(heat source) 是为了模拟水化过程中发生的热量,大体积混凝土由水化热引起的单位时间、单位体积的内部发热量可以通过将绝热温度上公式微分,再乘以比热和密度来计算。一般混凝土水化发热引起的绝热温度上升公式和内部发热量可以表示如下: 单位时间、单位体积的内部发热量( 3 /( ) ? kcal m h ) /24 1 24 t gcKe αρα?= () 绝热温度上升公式( C ?) (1 ) t TKe α?=? () 其中 T : 绝热温度( C ?) K : 绝热最高上升温度( C ?) α: 反应速度 t : 时间(days) We Analyze and Design the Future 390 第六部分 热传递分析 midas FEA 2-3 热应力分析 综合考虑热传递分析得到的节点温度的分布、随时间和温度变化的材料特性、随时间变化的收缩、随时间和应力变化的徐变等因素来计算大体积混凝土各个阶段的应力。水化热分析的热应力计算中可以应用的单元、荷载的类型以及混凝土的特性如下。 单元 热应力分析阶段可以使用实体单元、桁架单元以及加劲单元。加劲单元虽然参与计算但是并不输出结果。加劲单元的温度变化假设