CN108647463A - 基于midas的桥梁拱座混凝土浇筑水化热分析方法 - Google Patents

基于midas的桥梁拱座混凝土浇筑水化热分析方法 Download PDF

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Abstract

基于MIDAS的桥梁拱座混凝土浇筑水化热分析方法，包括以下步骤：1)取拱座以及其下部的承台的1/4对称部分建立热分析模型；2)设置边界条件，边界条件包括固定温度、对流边界、约束、对称边界，3)计算最大绝热温升值，4)对应每层浇筑时间定义一个施工阶段，在拱座养护期间，按不同时间定义多个施工阶段，对应施工阶段定义拱座和承台的参数，进行求解计算；5)温差分析和温度应力分析，获取拱座各层中心的节点裂缝比率曲线，判断拱座中心产生裂缝几率是否满足要求。本发明建立混凝土拱座的水化热有限元模型，真实反应混凝土内部水化热变化趋势和采取冷却水管降温后内部水化热变化趋势。

Description

基于MIDAS的桥梁拱座混凝土浇筑水化热分析方法
技术领域
本发明涉及桥梁建筑领域，具体地说，涉及一种基于MIDAS的桥梁拱座混凝土浇筑水化热分析方法。
背景技术
近年来我国公路建设高速发展，各类大跨径桥梁也应运而生，大体积混凝土在桥梁建设中更是得到广泛应用。在解决大体积混凝土施工水化热分析问题上，目前技术人员主要利用手算或电算对混凝土的温度应力进行分析计算。手算和电算结果相差不大，且均能满足精度要求，但两者优劣明显。手算可修改性差，若需进行修改，重复工作量大，图形绘制效果差，效率低，而电算可修改性高，若需进行修改，只需简单调整，即可快速得到计算结果，并且程序能自动绘制图形，能文图并茂直观的显示结果，工作效率极高。为高效准确的得到计算结果，采用有限元数值模拟分析软件进行大体积混凝土水化热电算分析，已成为一种必然趋势。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种基于MIDAS的桥梁拱座混凝土浇筑水化热分析方法，所述拱座设置在承台上，所述分析方法包括以下步骤：
1)模型建立
取拱座以及其下部的承台的1/4对称部分建立热分析模型，并划分网格；
2)设置边界条件
所述边界条件包括固定温度、对流边界、约束、对称边界，
对承台底部及侧面所有节点添加固定温度；
对承台底面所有节点添加固定约束，限制承台底面节点平动和转动；
在拱座侧模拆模前，对拱座侧面添加模板对流边界，通过设置模板对流系数来确定；
对拆模后拱座侧面和顶面添加砼覆盖对流边界，通过设置砼覆盖对流系数来确定；
对模型的两个对称面上的所有节点分别添加垂直于该对称面的平移约束；
3)计算最大绝热温升值，
Th＝(mc+K·F)Q/c·ρ
其中，Th----混凝土最大绝热温升；
mc---混凝土中水泥用量；
F----混凝土活性掺合料用量；
K----掺合料折减系数；
Q----水泥28天水化热；
C---混凝土比热；
ρ—混凝土密度；
4)施工阶段分析
根据拱座分层浇筑过程及养护期间对拱座定义对应的施工阶段进行数值模拟分析，对应每层浇筑时间定义一个施工阶段，而在拱座养护期间，按不同时间定义多个施工阶段，根据设置的多个施工阶段定义拱座和承台的参数，进行求解计算；
5)结果分析
5.1)温差分析
获取各施工阶段拱座各层中心的节点温度随时间变化曲线和拱座各层表面的节点温度随时间变化曲线，判断拱座中心温度与表面温度差值是否满足要求；
5.2)温度应力分析
根据拱座各层中心的节点应力与允许张拉应力的比值，获取拱座各层中心的节点裂缝比率曲线，判断拱座中心产生裂缝几率是否满足要求。
优选地，步骤5后还包括以下步骤：
6)模拟埋设冷却水管
在拱座内沿竖向间隔设置多层冷却水管，各层冷却水管均呈水平S型布置，每层冷却水管设1个进水口、1个出水口，
从混凝土淹没冷却水管开始向冷却水管通水，最下层冷却水管在被混凝土淹没后开始以不小于3方/小时的流量通水；
拱座浇筑完后10小时至浇筑完后30小时期间，混凝土每淹没一层冷却水管，则对应层的冷却水管以不小于1方/小时的流量通水，此后冷却水管不再通水。
优选地，相邻层的冷却水管的进水口和出水口交替布置。
优选地，在步骤6后，调整冷却水管的位置、供水量以及供水时间，重复进行步骤4和步骤5，直到达到设计要求。
优选地，在步骤4中，采用序贯耦合法，将热分析模型转换为结构分析模型，将温度场求解数据作为温度载荷重新加载并进行结构力学求解，得到结构应力场；将节点的应力数据与对应龄期的混凝土的允许抗拉强度进行对比，确定节点的裂缝比率。
优选地，步骤4中，设置的多个施工阶段定义拱座和承台的参数包括拱座和承台的弹性模量、泊松比、质量密度、热传导率、比热、热膨胀系数。
优选地，步骤5后还包括以下步骤：
6)模拟埋设冷却水管
对应每层浇筑的混凝土，将该层混凝土划分为多个区域，对于每个区域中的温度场的节点应力选取最高值，依次按照节点应力由高到低连接各区域应力值最高的节点，形成铺设冷却水管的线路。
优选地，步骤4中，引入冷却水管后的混凝土拱座的温度场分析采用以下公式：
先计算各个时间点τ上的吸收热量速率
Q(τ)＝ρwcw[Tw-in(τ)-Tw-out(τ)]qw(τ)
其中，ρw是水的密度；
cw是水的比热；
Tw-in(τ)是测量时间τ的进水口水温；
Tw-out(τ)是测量时间τ的出水口水温；
qw(τ)是冷却水管的流量；
基于该吸收热量速率求解温度场：
其中，T为混凝土温度；
t为时间；
x、y、z为直角坐标系；
λc为混凝土导热系数；
ρc为混凝土密度；
cc为混凝土比热；
Vc为混凝土仓的体积；
Q(t)为τ＝t时的吸收热量速率；
θ(t)为水化热函数。
本发明通过MIDAS FEA软件建立混凝土拱座的水化热有限元模型，其计算结果和实测值接近，能真实反应混凝土内部水化热变化趋势和采取冷却水管降温后内部水化热变化趋势，能图形化、动态化、可视化的模拟混凝土温变过程。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是表示本发明实施例的拱座和承台的立体图；
图2是表示本发明实施例的拱座和承台的俯视图；
图3是表示本发明实施例的拱座和承台的划分网格的1/4对称部分的立体图；
图4是表示本发明实施例的拱座和承台的浇筑分层图；
图5是表示本发明实施例的拱座各层中心的典型节点温度-时间曲线图；
图6是表示本发明实施例的拱座各层表面的典型节点温度-时间曲线图；
图7是表示本发明实施例的拱座各层中心的典型节点裂缝比率图；
图8是表示本发明实施例的埋设的冷却水管的俯视图；
图9是表示本发明实施例的埋设的冷却水管的正视图；
图10是表示本发明实施例的根据划分区域节点应力大小埋设的冷却水管的俯视图；
图11是表示本发明实施例的经冷却水管冷却的拱座各层中心的关键节点温度-时间曲线图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的基于MIDAS的桥梁拱座混凝土浇筑水化热分析方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
全桥长3967m，孔跨布置为北引桥67×30m先简支后连T梁+(30+120+30)m，中承式钢管混凝土系杆拱桥+南引桥59×30m先简支后连T梁。
主桥的拱座20为设置在承台10上的大体积混凝土异型结构，拱座20及承台10结构尺寸见图1和图2。拱座尺寸为10.5m(横桥向)×9m(顺桥向)×12.183m(高)，其下部承台尺寸为16m(横桥向)×16m(顺桥向)×3.5m(高)，拱座和承台均采用C30混凝土。拱座总方量为1001.6m3，要求采用两次浇筑成型，第一次浇筑M1～M7层，浇筑总高度6.63m，浇筑方量625.1m3，第二次浇筑M8～M13层，浇筑总高度5.553m，浇筑方量376.5m3。
基于MIDAS的桥梁拱座混凝土浇筑水化热分析方法包括以下步骤：
1)模型建立
由于拱座第一次浇筑断面、方量均大于第二次浇筑断面、方量，为简化计算，选取拱座第一次浇筑部分建模计算，即选取拱座尺寸为10.5m(横桥向)×9m(顺桥向)×6.63m(高)立方体计算。因拱座下部结构沿横、纵桥向均对称，故取拱座下部结构1/4对称部分进行建模分析，因承台结构有一定的比热和热传导率，故同时对承台结构1/4对称部分进行建模。在MIDAS FEA中建立的拱座下部1/4模型见图3，模型单元尺寸大小为0.25～0.5m，共建立14931个单元、66173个节点，其拱座划分为10206个单元、45250个节点，承台划分为4725个单元，22136个节点。
2)设置边界条件
对拱座1/4模型进行水化热数值模拟分析，其边界条件包括固定温度、对流边界、约束、对称边界。由于承台处于浇筑在地基垫层上，承台侧面被湖水淹没，受外界环境温度影响小，故对承台底部及侧面所有节点添加20℃的固定温度。由于承台处于浇筑在地基垫层上，故承台底面为固定状态，且无扭转，故对承台底面所有节点添加固定约束，限制承台底面节点平动和转动。拱座侧模采用模板，故在拱座侧模拆模前，对拱座侧面添加模板对流边界，通过设置表1中的模板对流系数来确定。拱座浇筑完5天后拆模，拆模后采用塑料薄膜覆盖养生，故对拱座拆模后拱座侧面添加砼覆盖对流边界，通过设置表1中的砼覆盖对流系数来确定。由于拱座顶面采用覆盖养生，故对拱座顶面添加砼覆盖对流边界，通过设置表1中的砼覆盖对流系数来确定。由于建立承台及拱座1/4对称结构模型，故对两个对称面分别添加垂直于该对称面的平移约束。具体说，为模型正面对称面(XZ平面)上所有单元节点添加Y方向平移约束，为侧对称面(YZ平面)上所有单元节点添加X方向平移约束。
3)计算最大绝热温升值
Th＝(mc+K·F)Q/c·ρ
式中Th----混凝土最大绝热温升(℃)
mc---混凝土中水泥(包括膨胀剂)用量(kg/m3)
F----混凝土活性掺合料用量(kg/m3)
K----掺合料折减系数.粉煤灰取0.25～0.30
Q----水泥28天水化热
C---混凝土比热,取0.97(kJ/kg·K)
ρ—混凝土密度,取2400(kg/m3)。
4)施工阶段定义及分析
根据拱座分层浇筑过程及养护期间对拱座定义对应的施工阶段进行数值模拟分析。由于拱座分层浇筑，根据拌合站生产混凝土能力及现场施工情况，每层混凝土浇筑时间取2小时，则7层混凝土浇筑时间共14小时，对应每层浇筑时间定义7个施工阶段。而在拱座养护的40天期间，分别取10、20、30、50、70、100(拆模)、130、170、250、350、500、700、1000小时定义13个施工阶段，共20个施工阶段。根据设置的20个施工阶段定义对应的参数，并进行分析控制设置，然后通过程序自动求解分析运算，并对结果进行分析。
各参数如表1所示
表1
项目 参数 数值 单位
C30砼承台 弹性模量 3.0×1010 N/m2
泊松比 0.2
质量密度 25000 N/m3
热传导率 2.3 W/m·℃
比热 98.9796 J·g/N/℃
热膨胀系数 10-5
固定温度 20 ℃
C30砼拱座
弹性模量 3.0×1010 N/m2
泊松比 0.2
质量密度 25000 N/m2
热传导率 2.3 W/m·℃
比热 98.9796 J·g/N/℃
热膨胀系数 10-5
最大绝热温升 47.4046 ℃
入模温度 25 ℃
其他参数
环境温度函数 25 ℃
模板对流系数 14 W/m2·℃
砼覆盖对流系数 13 W/m2·℃
冷却管对流系数 1.338×106 J·g/N/℃
质量密度 9806.65 N/m3/g
冷却水入口温度 20 ℃
5结果分析
5.1温差分析
通过MIDAS FEA数值模拟施工阶段分析，各施工阶段拱座各层中心典型节点温度随时间变化曲线图见图4，拱座各层表面典型节点温度随时间变化曲线图见图5，对比分析图4和图5对应时间拱座表面温度与环境温度差值均小于20℃，但拱座中心温度与表面温度差值均远大于15℃，不能满足要求，必须采取降温措施。
5.2温度应力分析
通过MIDAS FEA数值模拟施工阶段分析，具体说，是在步骤4中，采用序贯耦合法，将热分析模型转换为结构分析模型，将温度场求解数据作为温度载荷重新加载并进行结构力学求解，得到结构应力场；将节点的应力数据与对应龄期的混凝土的允许抗拉强度进行对比，确定节点的裂缝比率。得到拱座各层中心典型节点裂缝比率曲线图，如图6所示，可知拱座中心产生裂缝几率均大于1.5，不能防止裂缝产生，必须采取降温措施。
在一个可选实施例中，在分析后，通过在混凝土层埋设多层冷却水管30来降低水化热的影响。分析方法进一步包括以下步骤：
6.冷却水管模拟
6.1冷却水管模型建立
冷却水管采用外径40mm、壁厚2.5mm的钢管，竖向安装6层，上下层间距1m，每层冷却水管横桥向间距1m，且呈S型布置，冷却水管弯折处采用R＝50cm弯头连接，每层冷却水管设1个进水口301、1个出水口302。优选地，相邻层的冷却水管的进出口交替布置。冷却水管布置见图7和图8。
根据冷却水管布置情况，在MIDAS FEA中建立相应的模型，由于拱座模型为1/4对称结构，而冷却水管布置也为轴对称布置，故冷却水管也建立相应的1/4对称结构。
另外，冷却水管的布置还可以采用其他形式，将该层混凝土划分为多个区域，对于每个区域中的温度场的节点应力选取最高值，依次按照节点应力由高到低连接各区域应力值最高的节点，形成铺设冷却水管的线路。混凝土水化热导致各温度场的节点产生较大的节点应力，而根据水化热模拟的温度场导致的节点应力情况来铺设冷却水管，使冷却进水先进入节点应力高的区域，优先对水化热影响较大的区域进行冷却，有利于减少混凝土内部应力，防止产生裂缝。
6.2冷却水降温要求
冷却水从混凝土淹没水管开始通水，一直到水化热峰值过去，该时段内保证冷却水管内的流量达到1方/小时，峰值过后冷却水管的流量减半，冷却水管内的流量达到0.5方/小时，控制后期每天降温2℃以内，减少冷却水冷激效应。
6.3冷却水通水时间及流量设置
通过前面分析结果，见图4、图5，拱座水化热峰值在第44小时(拱座全部浇筑完第30小时)左右，增加冷却水降温后，水化热峰值会提前，故在第一层浇筑完(2小时)冷却水管开始通水至拱座浇筑完后10小时(14小时)，冷却水管流量为1方/小时；拱座浇筑完后10小时至浇筑完后30小时内冷却水管流量降为0.5方/小时，此后冷却水管不再通水。
7降温效果分析
引入冷却水管后的混凝土拱座的温度场分析采用以下公式：
先计算各个时间点τ上的吸收热量速率
Q(τ)＝ρwcw[Tw-in(τ)-Tw-out(τ)]qw(τ)
其中，ρw是水的密度；
cw是水的比热；
Tw-in(τ)是测量时间τ的进水口水温；
Tw-out(τ)是测量时间τ的出水口水温；
qw(τ)是冷却水管的流量；
基于该吸收热量速率求解温度场：
其中，T为混凝土温度；
t为时间；
x、y、z为直角坐标系；
λc为混凝土导热系数；
ρc为混凝土密度；
cc为混凝土比热；
Vc为混凝土仓的体积；
Q(t)为τ＝t时的吸收热量速率；
θ(t)为水化热函数。
7.1温差分析
通过MIDAS FEA数值模拟施工阶段分析，可以获取增加冷却水管后各施工阶段拱座及承台温度云图、增加冷却水管后各施工阶段拱座各层中心的典型节点温度随时间变化曲线图，如图10所示。拱座表面温度与环境温度差值均小于20℃，拱座中心温度与表面温度差值均远小于15℃，能满足温度差要求。
7.2温度应力分析
通过MIDAS FEA数值模拟施工阶段分析，可以获取增加冷却水管后各施工阶段拱座各层中心的典型节点应力与允许张拉应力曲线图、拱座各层中心的节点裂缝比率曲线图，从而得知拱座中心产生裂缝几率均小于1.5，能防止裂缝产生，满足要求。
从拱座温度发展趋势及裂缝几率发展趋势可以看出，增设冷却水管措施降温效果明显，能温差指标、应力指标、裂缝指标均能满足规范要求。
现场施工情况及实测结果
拱座于2016年9月9日下午17时开始浇筑，2016年9月10日上午9时浇筑完成，历时16小时，比预计14小时长2小时。每层混凝土淹没冷却水管后开始以流量1方/小时通水，浇筑完成10小时后改变冷却水管流量为0.5方/小时，通水至浇筑完30小时，然后停止通水。养护5天后拆模，拆模后拱座表面平整，无温缩裂纹。
通过对上表实测数据与MIDAS FEA计算结果比较分析，拱座混凝土中心温度在混凝土开始浇筑至第19小时内呈升温趋势，第19小时至45小时呈降温趋势，其中最高温度多在第11小时至第25小时内。温度变化趋势与MIDAS FEA计算结果趋势一致，第19小时达到的最高温度39.2℃与MIDAS FEA计算最高温度38.1℃相差不大。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于MIDAS的桥梁拱座混凝土浇筑水化热分析方法，所述拱座设置在承台上，其特征在于，所述分析方法包括以下步骤：
1)模型建立
取拱座以及其下部的承台的1/4对称部分建立热分析模型，并划分网格；
2)设置边界条件
所述边界条件包括固定温度、对流边界、约束、对称边界，
对承台底部及侧面所有节点添加固定温度；
对承台底面所有节点添加固定约束，限制承台底面节点平动和转动；
在拱座侧模拆模前，对拱座侧面添加模板对流边界，通过设置模板对流系数来确定；
对拆模后拱座侧面和顶面添加砼覆盖对流边界，通过设置砼覆盖对流系数来确定；
对模型的两个对称面上的所有节点分别添加垂直于该对称面的平移约束；
3)计算最大绝热温升值，
Th＝(mc+K·F)Q/c·ρ
其中，Th----混凝土最大绝热温升；
mc---混凝土中水泥用量；
F----混凝土活性掺合料用量；
K----掺合料折减系数；
Q----水泥28天水化热；
C---混凝土比热；
ρ—混凝土密度；
4)施工阶段分析
根据拱座分层浇筑过程及养护期间对拱座定义对应的施工阶段进行数值模拟分析，对应每层浇筑时间定义一个施工阶段，而在拱座养护期间，按不同时间定义多个施工阶段，根据设置的多个施工阶段定义拱座和承台的参数，进行求解计算；
5)结果分析
5.1)温差分析
获取各施工阶段拱座各层中心的节点温度随时间变化曲线和拱座各层表面的节点温度随时间变化曲线，判断拱座中心温度与表面温度差值是否满足要求；
5.2)温度应力分析
根据拱座各层中心的节点应力与允许张拉应力的比值，获取拱座各层中心的节点裂缝比率曲线，判断拱座中心产生裂缝几率是否满足要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5后还包括以下步骤：
6)模拟埋设冷却水管
在拱座内沿竖向间隔设置多层冷却水管，各层冷却水管均呈水平S型布置，每层冷却水管设1个进水口、1个出水口，
从混凝土淹没冷却水管开始向冷却水管通水，最下层冷却水管在被混凝土淹没后开始以不小于3方/小时的流量通水；
拱座浇筑完后10小时至浇筑完后30小时期间，混凝土每淹没一层冷却水管，则对应层的冷却水管以不小于1方/小时的流量通水，此后冷却水管不再通水。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
相邻层的冷却水管的进水口和出水口交替布置。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
在步骤6后，调整冷却水管的位置、供水量以及供水时间，重复进行步骤4和步骤5，直到达到设计要求。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤4中，采用序贯耦合法，将热分析模型转换为结构分析模型，将温度场求解数据作为温度载荷重新加载并进行结构力学求解，得到结构应力场；将节点的应力数据与对应龄期的混凝土的允许抗拉强度进行对比，确定节点的裂缝比率。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤4中，设置的多个施工阶段定义拱座和承台的参数包括拱座和承台的弹性模量、泊松比、质量密度、热传导率、比热、热膨胀系数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5后还包括以下步骤：
6)模拟埋设冷却水管
对应每层浇筑的混凝土，将该层混凝土划分为多个区域，对于每个区域中的温度场的节点应力选取最高值，依次按照节点应力由高到低连接各区域应力值最高的节点，形成铺设冷却水管的线路。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，引入冷却水管后的混凝土拱座的温度场分析采用以下公式：
先计算各个时间点τ上的吸收热量速率
Q(τ)＝ρwcw[Tw-in(τ)-Tw-out(τ)]qw(τ)
其中，ρw是水的密度；
cw是水的比热；
Tw-in(τ)是测量时间τ的进水口水温；
Tw-out(τ)是测量时间τ的出水口水温；
qw(τ)是冷却水管的流量；
基于该吸收热量速率求解温度场：
其中，T为混凝土温度；
t为时间；
x、y、z为直角坐标系；
λc为混凝土导热系数；
ρc为混凝土密度；
cc为混凝土比热；
Vc为混凝土仓的体积；
Q(t)为τ＝t时的吸收热量速率；
θ(t)为水化热函数。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111705666A (zh) * 2020-06-18 2020-09-25 宁波工程学院 一种预应力混凝土现浇连续箱梁早期裂缝控制方法
CN111914391A (zh) * 2020-06-23 2020-11-10 深圳市居安建筑科技有限公司 大体积混凝土里表温差动态限值确定方法

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