Midas-fea-隧道锚水化热参数分析

2023.02.16

【摘要】浇筑混凝土时，水泥在水化热过程中产生大量热量会使混凝土的温度升高。虽然随时间的推移混凝土的温度会慢慢冷却，但结构各个位置的温度下降不均匀，结构不同位置将发生相对的温差，此温差会使混凝土发生温度应力。

【关键词】混凝土热量升温

引言

目前大体积混凝土、高强混凝土以及耐久性混凝土正被广泛应用于实际工程中，由水化热引起的温度裂缝也逐渐成为设计人员所关注。水化热引起的温度裂缝大多发生在结构施工初期宽度较大且贯通裂缝比较多，对结构的耐久性、透水性会产生严重影响，因此在设计、施工以及监理阶段需要详细验算水化热引起的温度应力。

外部约束应力是因为已浇筑的混凝土或地基表面约束了正在浇筑的混凝土的温度变形而发生的应力。外部约束的影响与接触表面的宽度和外部约束刚度有关。水化热分析包括热传导分析（Heat Transfer Analysis）和温度应力分析（Thermal Stress Analysis）两个过程。

热传导分析是计算节点温度随时间的变化量，即计算因水泥水合过程中发生的放热、对流、传导引起的节点温度变化。温度应力分析是使用热传导分析得到的各时间段的节点温度分布以及材料随时间变化的特性、混凝土随时间变化的收缩、混凝土随时间和应力变化的徐变等，计算大体积混凝土各施工阶段应力。

1 工程概况

四川岸、云南岸的锚体构造、结构尺寸均相同，两岸锚体长度均为28m，前锚面7×8m（宽×高），为顶部为圆弧形的实心断面，圆弧半径3.5m，后锚面7×11.6m（宽×高），采用C30聚丙烯纤维微膨胀抗渗混凝土建立模型，两岸锚体长度均为28m，前锚面7×8m（宽×高），为顶部为圆弧形的实心断面，圆弧半径3.5m，后锚面7×11.6m（宽×高）建立模型，运行模型。

对比手算结果，温度应力误差很小。

2 结论

本文简单介绍了混凝土水化热分析的方法，利用Midas-fea软件对隧道锚建立仿真模型计算，对月亮湾大桥隧道锚在实际施工过程中的各种温度控制和监测控制作了简单的阐述，并对温度控制监测结果进行了记录和整理。在此基础上，综合分析检测结果，可以得到以下结论：

1）本文利用MIDAS-fea软件建立了有限元模型，模拟了大体积混凝土隧道锚的温度应力场，控制的温度基本上与计算结果一致。

2）在控制温度的措施上最有效的就是添加冷凝管并通冷水。

3）每一层混凝土水化热的峰值一般出现在建筑完成后的78小时左右。

4）混凝土升温速率快，降温速率慢，尤其在结构内部，温度比较高。

5）可以通过增加冷凝管的进出口数量，减少冷凝管的长度。

3 提出问题

Midas-fea软件在仿真分析时会出现那些与实际情况不符合的情况？

在进行有限元分析的时候，比如这个模型，隧道锚体内有钢筋束，我们在建模的时候未有考虑钢筋对大体积混凝土裂缝控制的影响，并没在模型中很好的反映出来，比如实际温度已经超过规范允许值，但隧道锚未检查出温度裂缝的情况。

在进行加设强制温度的时候，常常会对内部结构进行圈选，不能有效的完整的把表面结构完全的选入，在建模的情况下，不可避免的会发生这些情况。

在冷凝管添加的时候，在模型进行六面体的网格分析过程时，模型内部无法完整的按照规则的六面体进行划分，导致在最后添加冷凝管的时候，不能像cad图纸上完全的表现出来，会出现曲折的现象，冷凝管的添加会直接的影响模型最后的温度范围在3～4度之间。当然，在添加冷凝管时，经常会错选错点到下层的点上，在消隐的时候会发现冷凝管错中复杂，应该在添加的同时，进行每层的消隐，看看是否有错误发生。

模型缺陷，隧道锚是一个完整的封闭的物体，在建模的同时需要在锚体的周边添加封闭体，而不是简单的在锚体表面添加各种约束，个人认为在修建隧道锚的同时也是一个对外环境进行热交换的时候，在外表面加上物体有利于更好的反映物体热交换的体现。

网格划分问题，因为是简单建模，在划分网格的时候选取了大网格的划分，大网格划分不能直接体现有限元分析的精确性，在划分网格时，应该选取小网格划分来分割模型，这样更有利与模型数据的正确性和精确性。

【参考文献】

[1] JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[2] 重庆交通大学，锚碇大体积混凝土配制及关键施工技術研究.

[3] 厚壁空心高墩施工阶段混凝土水化热温度效应研究，兰州交通大学，桥梁与隧道工程，2013.

[4] 大体积混凝土早期水化热温度场有限元分析，西南大学，农业生物环境与能源工程，2013.

作者简介：黄梓恒 1993.3.5 男汉重庆研究生大跨径桥梁设计理论;重庆市南岸区学府大道66号重庆交通大学