大体积混凝土水化热.ppt

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1、 水水 化化 热热 概概 述述 方方 法法 与与 参参 数数 定定 义义 Midas CivilMidas Civil水化热分析水化热分析010302-1 1 水化热概述：水化热概述： 大体积混凝土在水泥水化过程中放出大量的热量，自身又具有一定的保温性能，因此大体积混凝土内部升温幅度较大，而且在大体积混凝土温度达到峰值后，内部的降温速度又比其表层慢的多，这时，混凝土内外温差变大，在此热量释放过程中，混凝土内部将会产生很大的温度应力，当温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时，混凝土就会出现裂缝。这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。-温度控制措施：温度控制措施： 采取合理的结构形式和适当的分缝、分

2、块方案，以减少结构内部的相互约束，释放内部应力进行表面养护，防止表面附近过大的温差和水分散失引起的干缩应变，同时也要防止寒潮尽可能在低温季节施工及提高施工管理水平和施工质量 沿高度分层施工，并在两层之间设置几天的间歇期，使之自然散热，减少基础温差和层间温差 降低混凝土入模温度。采用集料预冷、冷水搅拌等采用低热高强水泥，使水化热量降低，减少混凝土的绝热温升值采用具有自生体积膨胀的水泥或外加剂，利用自生体积膨胀来抵消混凝土中的温度收缩变形设置冷却水管，降低混凝土的内部温度-研究对象：研究对象： 应用有限元法计算温度应力是，应考虑荷载、温度变化、徐变和自身体积变化所引起的节点荷载增量，主要的研究目的

3、 有如下几点： 1.热传导分析2 .热应力分析3.利用管冷来减小温度应力-2 2 分析方法与参数定义分析方法与参数定义1.有限元分析流程图有限元分析流程图 裂缝指数i的定义： 其中： 1.防止裂缝产生时：1.5以上 2 .限制裂缝发生时：1.21.5 3.限制有害裂缝发生时：0.71.2i 混凝土抗拉强度发生的温度应力-2 2 分析方法与参数定义分析方法与参数定义2.参数定义参数定义 1 1）三类边界条件）三类边界条件第一类边界条件：混凝土表面的温度是时间的已知函数。一定深度范围内的基岩边界可视为温度恒定，属于这类边界条件。第二类边界条件：混凝土表面热流量是时间的已知函数。若热流密度（单位时间

4、内通过单位面积的热量 其中为导热系数，单位为W/m ）为0，则为绝热边界。第三类边界条件：已知混凝土表面对流交换情况。工程中，此类边界条件常遇到，混凝土结构表面与水、空气的接触。（本分析中主要运用）2 2）热传导）热传导热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。一般来说，饱和混凝土的热导系数的取值范围为1.213.11，混凝土热导系数呈现碎温度递增而减小的趋势，但在大气温度范围内不会有明显变化可认为是常量。 ,qT -2 2 分析方法与参数定义分析方法与参数定义 3 3）对流对流热对流是指固体的表面与它周围接触的流体（如空气，水）之间，由于温

5、差的存在引起的热量的交换。分为自然对流和强制对流两种。热对流作为一种面荷载，施加于实体单元表面。一般需输入对流换热系数和环境流体温度两个参数。（对流换热系数hW/(m2)）对流换热系数根据经验值一般可用混凝土表面模板或保温层的传热系数 来等效。对流系数函数： -2 2 分析方法与参数定义分析方法与参数定义几种保温材料几种保温材料导热系数导热系数材料名称密度（kg/m3）导热系数W/(mk)材料名称密度（kg/m3）导热系数W/(mk)建筑钢材780058矿棉，岩棉110-2000.031-0.05钢筋混凝土24002.33沥青矿棉毡100-1600.033-0.05水0.58泡沫塑料20-50

6、0.035-0.052木模板500-7000.23膨胀珍珠岩40-3000.019-0.042木屑0.17油毡0.05草袋1500.14膨胀聚苯板15-250.042沥青蛭石板350-4000.081-0.105空气0.03膨胀蛭石80-2000.047-0.07泡沫混凝土0.1-2 2 分析方法与参数定义分析方法与参数定义传热系数修正值传热系数修正值保温层种类K1K21仅由容易透风的材料组成（如草袋、稻草板、锯末、砂子）2.632由易透风材料组成，但在混凝土面层上再铺一层不透风材料22.33在易透风保温材料上下铺一层不透风材料1.61.94在易透风保温材料上下铺一层不易透风材料1.31.55

7、仅由不易透风材料组成（如油布、帆布、棉麻毡、胶合板）1.31.5注：K1一般刮风情况（风速小于4m/s）下的传热系数修正值 K2刮大风情况下的传热系数修正值-2 2 分析方法与参数定义分析方法与参数定义 4 4）发热）发热 热源是为了模拟水化过程中发生的热量而定义的。 假定在混凝土周围无任何散热条件、无任何热耗损情况下，将水泥和水水化后产生的水化热量全部转化为温升后的最后温度，称之为最大绝热温升，用K表示。若无实测数据，可用下列经验公式计算（热源函数）： -2 2 分析方法与参数定义分析方法与参数定义不同品种、强度等级水泥的水化不同品种、强度等级水泥的水化热热水泥品种水泥强度等级水化热Q（kJ

8、/kg）3d7d28d硅酸盐水泥42.531435437532.5250271334矿渣水泥32.5180256334系数系数a a浇筑温度（）51015202530a0.295 0.318 0.340 0.362 0.384 0.406 -2 2 分析方法与参数定义分析方法与参数定义 5 5）初始温度、环境温度和固定温度初始温度、环境温度和固定温度 初始温度：水化热反应前的温度，指浇筑混凝土时的水、水泥、集料的平均温度。最终的结构温度等于水化热导致的温度上升和初始温度之和。一般取1020。 环境温度（环境温度函数）：是指混凝土浇筑后养护过程中的周围温度函数，因为在没有大气温度数据情况下，一般

9、可取大气平均温度（第一类边界条件）1020。 固定温度：热传递分析的边界条件，在分析过程中其值保持不变。例如，地基基础侧面（不含对称面）、顶面（不含承台下方的地基顶面）和底面输入固定温度，一般可取1020。 热传递分析时，若没有输入节点的对流条件或固定温度，那么该分析将被视为是在没有热传递状态下进行分析。（对称模型可取一般模型分析，此时在对称面上为绝热边界条件） -2 2 分析方法与参数定义分析方法与参数定义 6 6）其他）其他积分系数（时间离散系数）：输入热传导分析所需的时间离散系数。可取0.5计算。 徐变和收缩：可选择规范中定义的收缩徐变函数。 使用等效材龄和温度：混凝土凝固过程中发生的材

10、料特性的变化可以用温度和时间的函数形态表示。引入等价龄期和积算温度概念。-3 3 实例分析实例分析设定操作环境及定义材料定义材料时间依存特性建立实体单元模型组定义输入环境温度、对流系数及定义 单元对流边界定义固定温度输入热源函数及分配热源输入管冷数据定义施工阶段 当前市面上所有的通用有限元分析软件都能做水化热分析，MIDAS系列软件操作原理一致，对于不规则的实体，网格划分时可应用MIDAS FEA软件快速、有效、精确的进行网格划分，再导入其他CIVIL、GEN等软件进行水热热分析。运行分析查看结果-3 3 实例分析实例分析2. 2.研究对象选取研究对象选取1/4模型 本模型为板式基础结构，对于

11、浇筑混凝土后的1000个小时进行水化热分析，其中管冷作用于前100h。 civil结构分析软件进行建模分析，因模型具有对称性，所以使用1/4模型。基本尺寸为：地基：17.6*12.8*2.4m；板式基础：11.2*8.0*1.8m；水泥种类：低热硅酸盐水泥（Type ）板式基础地基 -3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析1）设定操作环境和材料定义先设置操作环境为长度 m，力 kgf，热度 kcal，在后续材料参数等输入时可根据具体参数量纲进行随时变换单位系（右下角单位修改图标）-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析1）设定操作环境和材料定义先

12、设置操作环境为长度 m，力 kgf，热度 kcal，在后续材料参数等输入时可根据具体参数量纲进行随时变换单位系（右下角单位修改图标）-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析1）设定操作环境和材料定义定义两种材料：地基与基础材料3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析2）定义材料时间依存特性先修改操作环境为力 kN，长度m，再输入相应的抗压强度、徐变/收缩，在进行与相应材料连接理论厚度：可有软件自动计算，后修改-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析3）实体模型的建立与网格划分点线(面) 面体，使用单元分割来进行网格划分，赋予

13、地基以相应材料-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析4）组的定义定义结构组和边界组：约束条件、对称条件（用一般支承定义）、固定温度条件、对流边界-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析5）定义边界条件灵活使用正视图、右视图约束条件（一般支承）：地基底面、地基侧面（非对称面）对称条件（一般支承） ：对称面-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析6）定义施工阶段此处激活边界组：约束条件、对称条件、固定温度条件、对流边界分层浇筑混凝土时，可以设置多个施工阶段时间：10 20 30 45 60 80 100 130 170 25

14、0 350 500 700 1000-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析7）输入水化热分析控制数据勾选使用等效材龄和温度积分系数选择0.5类型：徐变和收缩徐变计算方法：有效系数-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析8）输入环境温度常量或温度函数：本例选择常量，20 -3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析9）输入对流函数对流系数：常量，12kcal/m2*hr*-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析10）定义单元对流边界（边界组）选择对流系数和环境温度选择的节点为与空气接触的混凝土外表面的节

15、点选择节点选择-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析11）定义固定温度（固定温度条件边界组）温度值可为20 -3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析12）输入热源函数及分配热源最大绝热温升：41导温系数：0.759热源分配给所有的基础混凝土单元-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析13）输入管冷数据冷却管设置距基础底部0.9m处比热、容重：1kcal*g/kN*流入温度515 流入速度：1.2m3/hr 流入时间：始CS1，0hr；终CS1,100hr 管径、对流系数：0.027m，319.55kcal/m2*hr*、

16、选择放置位置节点，并激活管冷只能设置在节点上两点选择-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析14）分析及结果查看冷却管设置距基础底部0.9m处比热、容重：1kcal*g/kN*流入温度515 流入速度：1.2m3/hr 流入时间：始CS1，0hr；终CS1,100hr 管径、对流系数：0.027m，319.55kcal/m2*hr*管冷只能设置在节点上60小时的温度场-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析14）分析及结果查看冷却管设置距基础底部0.9m处比热、容重：1kcal*g/kN*流入温度515 流入速度：1.2m3/hr 流入时间：始CS1，0hr；终CS1,100hr 管径、对流系数：0.027m，319.55kcal/m2*hr*管冷只能设置在节点上60小时的温度场-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析14）分析及结果查看60小时的应力分布-3 3 实例分析实例分析3. 3.模型建立与分析模型建立与分析14）分析及结果查看混凝土内部应力时程图（管冷）