基于ANSYS 的混凝土跳仓法施工的数值仿真分析

张雷　刘璐

（1.九江学院土木与城市建设学院，江西九江　332005；2.九江学院艺术与设计学院，江西九江　332005）



基于ANSYS 的混凝土跳仓法施工的数值仿真分析

张雷1刘璐2

（1.九江学院土木与城市建设学院，江西九江332005；2.九江学院艺术与设计学院，江西九江332005）

摘要：通过ANSYS软件，数值模拟了跳仓法的整个施工过程，并利用ANSYS的耦合分析能力，把热分析和结构分析耦合在一起，模拟了某基础板的浇筑过程，数值模拟计算结果表明，采用跳仓法施工可以大大降低大体积混凝土浇筑时的温度应力。

关键词：大体积混凝土，耦合分析，温度应力，跳仓法

0　引言

在浇筑大体积混凝土工程时，由于体积厚大，混凝土导热系数较低，水泥水化过程中释放的热量来不及释放，将导致混凝土内外产生较大温差，进而出现温度应力；温度应力过大时将会导致温度裂缝的出现，对结构产生不利的影响；为了解决大体积混凝土浇筑时的温度裂缝控制问题，跳仓法浇筑综合技术应运而生；跳仓法利用“抗放兼施、先放后抗、以抗为主”的原理，把大体积混凝土预先分成若干块，然后隔块进行施工，其模式和跳棋一样，隔一段浇一段，该施工方式可以解决大体积混凝土的温度裂缝控制问题；本文以某大体积混凝土基础板为例，通过大型有限元软件ANSYS建立有限元模型进行数值分析，数值仿真了大体积混凝土跳仓法的施工过程，为指导跳仓法施工提供数值依据，同时为今后类似工程的数值仿真计算提供借鉴方法。

1　工程背景

某地基尺寸为120 m×60 m×10 m，现需在其上浇筑一大体积混凝土基础底板，其尺寸为60 m×30 m×1 m，混凝土标号为C30，水泥用普通硅酸盐水泥，采用跳仓法进行施工，要求在浇筑时，基础底板不出现裂缝。相关材料参数取值如下：混凝土密度ρ=2 500 kg/m3；地基密度ρ=2 600 kg/m3；比热c =0. 92；导热系数9. 7×10-3kJ/（m·h·℃）；对流系数0. 05 kJ/（m2·h·℃）；大气温度为20℃；浇筑温度为20℃；混凝土的弹性模量E = 30 GPa；热膨胀系数为α=1×10-5；泊松比v =0. 2。

2　ANSYS数值模拟混凝土浇筑过程

采用大型通用有限元软件ANSYS对混凝土浇筑过程进行数值模拟；大体积混凝土在浇筑时，需要综合考虑温度场和温度应力问题，也就是说整个浇筑过程包含热学和固体力学问题，涉及到多个场的耦合问题；利用ANSYS的多场耦合分析能力，可以顺利地模拟混凝土的浇筑情况；首先选择热单元，建立整个物理模型，输入材料的热参数，进行混凝土浇筑时的温度场分析，可以获得浇筑后的节点温度；然后把热单元转化成结构单元，将各节点温度作为体荷载施加在模型中进行结构分析，分析后可以获得混凝土浇筑后各节点的温度应力。

3　模拟单元

跳仓法施工的数值模拟需要进行热分析和结构分析，进行热分析时，模拟单元可以采用Solid70单元，该单元具有8个节点，每个节点包含一个温度自由度；进行结构分析时，模拟单元可以采用Solid185单元，该单元同样具有8个节点，每个节点包含3个自由度，具有膨胀、塑性、大变形和大应变等功能。

4　跳仓法的数值仿真过程

借助于ANSYS软件中的单元生死功能，可以模拟跳仓法中分块混凝土的施工顺序，首先整体建模，对于不需要浇筑的混凝土，先将其“杀死”，等到需要浇筑时，再将其“激活”；对于本工程，厚度方向不分层浇筑，分块宽度取15 m，将基础板分成8块浇筑，如图1所示，先浇筑①，②，③，④，再浇筑⑤，⑥，⑦，⑧，模型以及网格划分如图2所示。

图1　浇筑分块编号示意图

图2　几何模型和网格划分图

首先进行热分析，设置求解选项，给地基施加初始温度和边界条件，即地基的四个侧面和底面绝热，然后给与空气接触的地基上层表面施加对流条件，施加后的对流条件如图3，图4所示：给基础板单元施加初始温度，即浇筑时的温度，先使它的所有单元死亡，施加初始温度T = 20℃；然后激活第一次浇筑的4块单元，并对其施加对流条件；设置求解选项，进行求解，并保存结果；提取第一次浇筑后的计算结果，如图5，图6所示。

图3　地基对流条件

图4　基础板对流条件

图5　第一次浇筑后的温度场

图6　第一次浇筑后的热梯度

图5中计算结果表明，第一次浇筑后，温度场分布较均匀；第一次浇筑完毕后，然后激活需第二次浇筑的单元，对所有的基础板施加对流条件，进行温度场的求解，计算结果如图7，图8所示。

图7　第二次浇筑后的温度场

图8　第二次浇筑后的热梯度

热分析完毕，接下来进行结构分析，首先将热单元转化为结构单元，对模型施加边界条件，即对地基的4个侧面和底面施加全约束；为了模拟基础板浇筑，先杀死所有的浇筑单元，然后激活第一次浇筑的单元，考虑自重，读入热分析结果，将它作为体荷载进行求解；求解完毕后保存结果，接着激活第二次浇筑的单元，再次进行求解，保存结果；提取模型的温度应力，结果见图9，图10。

图9　第二次浇筑后温度应力场

图10　第二次浇筑后基础板温度应力场

图10中计算结果表明，第二次混凝土浇筑完毕后，基础底板的最大温度应力为0. 67 MPa，小于混凝土的早期抗拉强度，不会出现温度裂缝，满足施工的要求。

5　结语

跳仓法施工已经在大体积混凝土浇筑工程中得到了广泛应用，本文通过ANSYS软件数值模拟了跳仓法的施工过程，利用ANSYS的耦合分析能力把热分析和结构分析耦合在一起模拟了真实的浇筑情况；数值模拟的计算结果表明，采用跳仓法施工可以大大降低大体积混凝土浇筑后的温度应力，从而减少甚至避免温度裂缝的出现；为了保证数值模拟的结果更能贴近工程实际，考虑到材料参数的选取会严重影响数值计算结果，建议在试验条件许可的前提下，热分析时所有材料参数的选择均应通过现场试验实测获得。

参考文献：

［1］李立峰.基于ANSYS的混凝土水化热温度场读取方法［J］.山西建筑，2007，33（1）：74-75.

［2］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国水利水电出版社，2012.

［3］王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［4］黄伟鹏.“跳仓法”综合技术在超长地下结构裂缝控制的应用［J］.福建建设科技，2008（5）：88-89.

Numerical simulation analysis of concrete jump warehouse method on the basis of ANSYS

Zhang Lei1Liu Lu2
（1. College of Civil & City Construction，Jiujiang College，Jiujiang 332005，China；2. College of Arts & Design，Jiujiang College，Jiujiang 332005，China）

Abstract：Through ANSYS software，the paper carries out numerical simulation of jump warehouse construction process，uses coupling analysis capability of ANSYS，and simulates the foundation board grouting process by coupling thermal analysis and structural analysis. The numerical simulation results show that：it can greatly reduce massive concrete grouting temperature stress by applying jump warehouse method.

Key words：massive concrete，coupling analysis，temperature stress，jump warehouse method

中图分类号：TU755

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0109-02

收稿日期：2016-01-15

作者简介：张雷（1986-），男，助教；刘璐（1988-），女，讲师