考虑管冷的水化热分析北京迈达斯技术有限公司目录概要 1模型的基本数据 3材料和热特性数据 5建立模型 6设定操作环境 6定义材料特性 7定义时间依存特性 8时间依存材料连接 9结构建模 10输入水化热分析数据 26水化热分析控制数据 26输入环境温度 27输入对流系数 28定义热源函数 31输入管冷数据 33定义施工阶段 36运行结构分析 38查看分析结果 38查看温度变化 39查看应力变化 43查看时程图形 47动画查看结果 512概要对于建筑物的基础以及桥梁的基础、桥墩等大体积混凝土需要考虑水化热引起的温度应力。
温度应力引起的裂缝具有裂缝宽、上下贯通等特点，因此对结构的承载力、防水性能、耐久性等都会产生很大影响。
大体积混凝土的温度应力是由于浇注混凝土后，水泥的水化反应（放热反应）导致的混凝土体积的膨胀或收缩，在受到内部或外部的约束时而产生的。
混凝土水化热引起的应力可以分为内部约束应力和外部约束应力两大类。
内部约束应力是指由于混凝土内部不同的温度分布引起的不同的体积变化而导致的应力。
即，水化反应初期由于中心部分温度比表面温度高，会导致表面产生拉应力；而温度开始下降时中心部分的收缩会比表面部多，此时中心部会产生拉应力。
内部约束应力的大小与内外温差成比例。
外部约束应力是指新浇筑的混凝土，由于水化热而发生的体积变化，受到与其接触的已浇筑混凝土或者地基等的约束而产生的应力。
外部约束的作用与接触面积的大小和外部约束的刚度等因素相关。
水化热分析包括热传导分析(Heat Transfer Analysis)和热应力分析(Thermal Stress Analysis)两个过程。
热传导分析是通过考虑水泥水化反应时产生的热量、对流、传导等因素计算随时间变化的各节点的温度的过程。
热应力分析是利用计算得到的各节点的不同时间的温度，考虑随时间和温度变化的材料特性、干缩、随时间和应力变化的徐变等，来计算大体积混凝土各施工阶段的应力的过程。
降低水化热的方法可分为使用低热水泥、分段浇筑、骨料预冷、管冷、Sheet 养护等。
这份资料介绍使用管冷方法来防止温度应力时如何进行水化热分析。
1水化热分析的建模与分析过程如下。
定义一般材料特性 弹性模量、比热、热传导率定义时间依存特性 收缩、徐变、弹性模量变化 建立结构模型 定义单元、边界条件水化热分析控制定义积分系数、初始温度定义环境温度函数 对流系数函数 单元对流边界输入外界温度的变化函数和对流系数函数之后，定义单元（节点）的对流边界定义固定温度 对于温度不随时间变化的部分输入固定温度定义热源函数 分配热源根据水泥种类和实验数据定义热源函数并将其分配给相应单元管冷 考虑管冷时，输入管冷相关数据定义施工阶段 定义各施工阶段对应的单元和边界条件 运行分析 进行热传导分析和热应力分析查看分析结果 查看各阶段的温度和应力2模型的基本数据为了便于理解和说明问题，这个例题使用了简单的板式基础的模型，其形状如图1所示。
对于浇筑混凝土后的1000个小时进行了水化热分析，其中管冷作用于前1 00个小时。
如果将地基的支承条件使用弹簧模拟，则无法描述混凝土的热量传递给地基的情况。
因此需要将地基也模拟为具有一定比热和热传导率的结构。
地基 : 17.6 x 12.8 x 2.4 m板式基础 : 11.2 x 8.0 x 1.8 m水泥种类 : 低热硅酸盐水泥（Type IV）板式基础地基1.8 m8 m 2.4 m11.2 m12.8 m17.6 m图1. 水化热分析的模型34由于模型具有对称性，所以这里只取1/4模型进行建模和分析。
这样不仅可以提高建模速度、缩短分析时间，而且也便于查看内部温度分布以及应力发生状况。
6.4 m8.8 m4.0 m5.6 m图2. 施工阶段水化热分析模型 (1/4对称模型)材料和热特性数据材料和热特性如表1所示。
表1. 材料和热特性数据定义热源函数时的最大绝热温升(K)和导温系数(a)与水泥的种类有关。
可以用户输入实验数据，也可选择相应种类的水泥，程序可以自动考虑。
56建立模型设定操作环境打开新项目()，以“管冷水化热.mcb ”为名保存()。
文件 / 新项目文件 / 保存 (管冷水化热)将单位体系设为m, kN。
工具 / 单位体系长度>m ; 力>kN ↵图3. 设置单位体系7定义材料特性输入地基和基础的材料特性。
为了方便输入，比热和热传导率的值可以将单位设置为kgf 、m 后再输入右侧数值。
图4. 定义材料8定义时间依存特性为了考虑徐变、收缩以及混凝土抗压强度(弹性模量)的变化，定义时间依存性材料特性。
模型 / 材料和截面特性 /时间依存性材料 (抗压强度)名称>(强度发展) ; 类型>设计规范 规范>ACI混凝土28天抗压强度(f28)>(3000) kN/m^2 强度系数>(4.5) ; b (0.95)↵中国规范中没有规定强度发展曲线，用户可以根据实验数据自行定义强度发展。
本例题使用ACI 的强度发展曲线。
进行水化热分析时对于徐变的考虑，通常是通过折减弹性模量的方法来进行的。
在6.7.0版本之前，折减弹性模量是在定义徐变对话框中通过选择设计标准中的“编辑弹性模量”来考虑的。
但由于该方法只针对水化热分析，因此为了减少用户混淆的可能，从6.7.0版本开始，该功能被移到了“分析/水化热分析控制”对话框。
如果用户想使用设计规范定义徐变后在水化热分析中予以考虑，在“分析/水化热分析控制”对话框的徐变计算方法中选择“一般”即可。
图5. 定义强度发展曲线9 时间依存材料连接将定义的材料和时间依存性材料特性连接起来。
如图6所示。
模型 / 材料和截面特性 /时间依存性材料连接时间依存材料类型>徐变和收缩>None时间依存材料类型>强度进展>强度发展 选择指定的材料>基础操作 >徐变和收缩在水化热分析控制对话框中选择。
图6. 时间依存性材料连接结构建模建立模型的方法有很多种。
对于这个模型，先建立地基底面的四个角点的节点，连接4个节点建立板单元，然后再将这个板单元向上扩展建立实体单元。
点格(关) ; 捕捉点格(关) ; 捕捉轴网(关)顶视图 ; 自动对齐; 节点号(开)模型>节点>建立节点坐标 ( 0, 0, 0 );( 8.8, 0, 0 );( 8.8, 6.4, 0 );( 0, 6.4, 0 )模型>单元>建立单元单元类型>板节点连接>(1, 2, 3, 4)图7. 临时建立地基底面的板单元1011然后使用扩展单元的功能建立实体单元的模型。
标准视图 模型>单元>扩展单元 全部选择扩展类型> 平面单元 Æ 实体单元 目标>删除(钩选)单元类型>实体单元 ; 材料>1:基础 生成形式>复制和移动复制和移动>等间距>dx,dy,dz>(0, 0, 4.2) ↵图8. 建立实体单元12分割单元下面使用分割单元的功能对建立的实体单元进行适当分割。
分割单元时，对于应力变化较大的部分需要进行细分，变化不是很大的部分可以分割得粗一些。
单元的大小需尽量使每个实体单元内的应力变化不是很大。
节点号(关) 模型 / 单元 /分割单元全选分割单元>单元类型>实体单元 ; 等间距分割数量 x : (11) ; y : (8); z : (7) ↵ 消隐显示 >节点表单>节点(关)图9. 分割实体单元前面使用扩展单元和分割单元的功能建立了长方体的实体单元模型，现在根据基础的形状，将不必要的部分删除。
正面视图模型>单元>删除单元窗口选择 (图10的①)类型>选择 ; 包括自由节点(开) ↵①Front View图10. 删除单元1314调整为 左视图 后，如下图选择单元将其删除。
左视图模型>单元>删除单元窗口选择 (图11的①)类型>选择 ; 包括自由节点(开) ↵ 标准视图Iso View①Left ViewY Z图11. 删除单元将基础部分的单元划分得更细一些。
正面视图模型 / 单元 / 分割单元窗口选择 (图12的①)分割单元>单元类型>实体单元 ; 等间距分割数量 x : (2) ; y : (1) ; z : (1)↵①图12. 分割单元 (正面视图)1516左视图模型 / 单元 /分割单元窗口选择 (图13的①)分割单元>单元类型>实体单元 ; 等间距 分割数量 x : (1) ; y : (2) ; z : (1) ↵①图13. 分割单元 (左视图)17模型 / 单元 /分割单元窗口选择 (图14的①)分割单元>单元类型>实体单元 ; 等间距 分割数量 x : (1) ; y : (1) ; z : (2) ↵①图14. 分割单元使用显示自由边可以确认有限元单元的连续性（Connectivity）。
显示自由边的功能是将板单元或实体单元的没有与其它单元共享的边显示出来的功能。
使用该功能可以较方便的确认单元的连续性。
模型 / 检查结构数据 / 显示自由边图15. 使用显示自由边的功能查看单元的连续性1819 扩展单元建模时，地基的材料也使用了混凝土，现在使用拖放功能修改地基的材料特性。
模型 / 检查结构数据 / 显示自由边 (关) 树形菜单>工作表单窗口选择 (图16的①)特性值>材料>2:地基 (拖放)修改单元特性时也可使用“模型/单元/修改单元特性”功能。
拖放功能①图16. 修改地基材料特性定义单元结构组和边界组为了定义施工阶段，需定义结构组和边界组，并在不同的施工阶段激活或钝化这些组。
首先，在树形菜单的组表单生成结构组。
;图17.生成结构组2021 定义结构组前面只是定义了结构组的名称，现在将相应结构分配给结构组。
树形菜单>组表单窗口选择 (图18的①)结构组>地基 (拖放)窗口选择 (图18的②)结构组>基础 (拖放)拖放②①图18. 定义结构组定义边界组下面生成边界条件组。
如图16所示。
定义边界组>名称 (约束条件)定义边界组>名称 (对称条件)定义边界组>名称 (固定温度条件)定义边界组>名称 (对流边界)图19.生成边界组2223下面定义边界条件。
为了建模方便，首先建立一个新窗口，并将两个窗口的视图调整为 正面视图和 左侧视图。
窗口 / 新窗口 左侧视图 ; 消隐模型视图 窗口 / 水平排序 自动对齐模型 / 边界条件 / 一般支承窗口选择 (图20的①) 窗口选择 (图20的②) 边界组名称>约束条件 选择>添加支承条件类型>D-All (开)↵实体单元没有扭转自由度，因此只约束平移自由度即可。