基于ANSYS二次开发的大体积混凝土温度场分析

科　学　技　术　与　工　程

ScienceTechnologyandEngineering

　Vol19　No116　Aug.2009

Ζ　2009　Sci1Tech1Engng1

建筑技术

基于ANSYS二次开发的大体积混凝土温度场分析

李　越　李骁春　张　建　周继凯

1

2

2

(连云港安达置业有限公司,连云港222000;苏州市苏房集团有限公司1,苏州215131;河海大学2,南京210098)

摘　要　基于ANSYS软件开发了适合大体积混凝土温度场分析的相应模块,并运用到实际工程中,取得较好的预期效果。关键词　ANSYS　　大体积混凝土　　温度中图法分类号　TU75517;　　　　文献标志码　A

[1]

　　在高层建筑中出现大体积混凝土结构的部位主要是基础底板。特别是沿海地区在软土地基上建造的高层建筑,很多采用片筏基础或桩与筏板复合基础,其筏板又兼作地下室的底板。一般地,这种底板的面积较大,厚度也在80cm以上,最厚处可达(5～6)m。基础底板浇筑后,在内部水化热和外部环境温度变化的影响下,混凝土结构各处温度时时发生着变化,其内部最高温度将达到(50～80)℃,与外界气温相差很大。如果不采取一定的

热分析这一特定问题时,尚需开展一定的研究。

1　软件二次开发ANSYS热分析基于能量守恒原理和热平衡方

程,通过施加温度、热流率、热流密度、对流、辐射、绝热和生热等边界条件和初始条件,求解即可得到节点的温度、温度梯度、热流率等结果。

ANSYS热分析过程可以分为三个步骤,前处理(建模)、加载求解(施加荷载并计算)和后处理(查

措施,混凝土将很容易开裂,影响结构的整体性并造成地下水渗漏,进一步影响结构的耐久性,给整个工程带来极其严重的危害。

混凝土热分析不仅是预测混凝土温度变化的必要方法,同时也是计算混凝土温度应力的前提条件。由于早期混凝土各项热性能都时时发生着变化,同时环境等因素也时时在变化,因此,混凝土早期热分析是一个较为复杂的问题。ANSYS软件虽具有专门的热分析模块,适用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数,如热量获取或损失、温度梯度、热流密度等,但当运用在混凝土早期

2009年4月29日收到

看结果)。在建模阶段,主要工作为定义单元类型并设置关键选项,定义单元实常数,定义材料热性能,建立几何模型,对几何模型划分网格。在加载求解阶段,主要工作为定义分析类型,获得瞬态热分析的初始条件,设定荷载步选项和存盘求解。在后处理阶段,主要工作为查看计算结果,ANSYS提供了通用后处理(POST1)和时间后处理(POST26)两种。在POST1模块中,可以对整个模型在某一荷载步的结果进行后处理,对结果进行彩色云图显示、矢量图显示、打印列表等,如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上,ANSYS会进行线性插值。在POST26模块中,可以绘制计算结果随时间变化的曲线。

混凝土早期热分析施加荷载常用命令见表1,其中施加生热量较为复杂。早期混凝土由于水化

江苏省“六大人才高峰”第四批项目资助

计划(072F2012),江苏省建筑业科研计划项目(JG2007205)资助第一作者简介:李越(19—),男,工程师,副总经理,研究方向:混凝土结构施工技术。

16期李　越,等:基于ANSYS二次开发的大体积混凝土温度场分析48　45

反应产生大量水化热,在ANSYS中模拟混凝土早期温度场时,水化热量作为荷载输入,由于每个时刻产生的热量不同,因此首先要将不同时刻的生热量做成数组,在bf命令中使用%tabname%(tabname为数组名)施加随时间变化的生热量。另外,还可以采用UPFs进行二次开发,修改Usrefl.F程序(主要参数见表2)。Usrefl.F程序可用于标量场(温度、生热量、湿度等)荷载的修改和施加,该程序中的key参数用于确定具体修改哪个物理量,当key=3时,输入的物理量为放热量,将其写成荷载步的函

10176kJ/(m・h・℃),比热c=1.00kJ/(kg・℃)。ANSYS求解所得结果见图1,两种计算结果比较见

表3。从计算结果看,ANSYS的计算结果与理论值基本相同。

表3　理论解与ANSYS解比较

时间/d理论解

ANSYS解

2

6

14

20

40

6045.00044.7880.47

29.80141.09944.74344.96745.00029.69740.914.53344.7.7880.35

0.45

0.46

0.47

0.47

相对误差/%

数,在每一个迭代步中都会调用该子程序,从而施加水化热量

[2]

。

表1　热分析施加荷载常用命令

命令

ICBFEBFSFSFAD

作用指定节点初始条件施加体力于单元施加体力于节点施加表面荷载于节点施加表面荷载于表面施加约束于节点

备注施加节点初始温度施加生热量施加生热量施加对流、热流施加对流、热流施加指定温度于节点

表2　USREFL.F参数说明

参数名

keyielielcnnodnodestimenddat

图1　ANSYS计算绝热温升

作用

物理量类型标示参数,等于1为温度,2为流场,

3为生热量,4为湿度含量,5为磁场虚位移

2　实例分析

连云港市金海置业广场为两幢12层和26层高的行政办公楼,设有一个单层地下停车场,总建筑面积约为46056m,地下室底板平均厚度2.5m,电梯井处最厚达3.6m,属典型大体积混凝土结构;地下室侧墙厚400mm,高6m,周长400多米,属典型超长薄壁结构。施工时间定为2008年11月份。

工程地点位于连云港新浦新区巨龙南路东、朝阳路南,根据中国气象资料,11月施工,平均气温较为合适,但要防止温度骤变,最低温度可达到零下417℃,应做好保温准备,而在12月份施工,平均温

2

单元号单元类型特征数据

节点数量节点列表当前子步时间物理量数组大小物理量数组数据

　　为了验证ANSYS有限元计算结果的正确性,选取了有理论解的算例与有限元计算结果进行对比

[3]

。

算例:处于绝热温升状态立方体混凝土块尺寸为10m×10m×10m,初始温度为15℃,混凝土的绝热温升方程为θ=30(1-e

τ-0.34

2

度较低,最低温度可达零下9.8℃,因此对后期混凝土养护要求较高。

根据《金海置业广场大体积混凝土浇筑方案》

),其中龄期τ单

位为d,导温系数a=0.004m/h,导热系数λ=

4846科　学　技　术　与　工　程9卷

和商品混凝土公司提供的配合比情况,按施工计划地下室基底板共设三条后浇带,A楼深基础及B1—B4、BE—BF部位大底板,自然分成5个区域,根据

区域顺序先后及基底施工顺序,先深后浅、逐渐安划分区域展开分别浇筑砼。其中5号区域底板最厚,达3.4m。第1区域混凝土分两次浇筑,第一次浇1.6m,第二次浇1.8m,两次间隔时间约4d。采用ANSYS进行有限元分析。首先建立有限元模型如图2所示,有限元分析结果与实测结果比较如图3～图5所示,从图分析,除混凝土表面温度用环境

影响变化比较突然外,其他各点有限元分析结果与测试结构基本一致。

3　小结

ANSYS软件是国际著名的通用有限元软件,是

第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件,是美国机械工程师协会(ASME)、美国核(NQA)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。ANSYS虽然通用性很强,但是在计算早期混凝土结构温度场、温度应力场这一特定问题时略显不足

图2　底板有限元模型

[4]

,不能直接求解,需要人为地编程干预并

进行开发。基于ANSYS的二次开发功能,编写适用于混凝土早期温度计算的模块,充分利用ANSYS的前后处理功能,减少软件开发的工程量,模拟混凝

(下转第4868页)

4868科　学　技　术　与　工　程9卷

ResearchonStreamWaterQualityModelBasedonMultivariateEstimating

XUQiang,ZHABGQi

(XiπanAerotechnicalCollege,Xiπan710077,P1R1China)

[Abstract]　Waterqualitymodelofstreamcansupplyquantifyrelationofpollutantdispersionandstreamwaterquality.Reliabilityofthemodelisincreasedlargelybysimultaneousestimatingmultivariate.Parametersinthemodelcanbecalculatedbythismethod.

[Keywords]　waterqualitymodel　　multivariateestimate　　streamwaterquaeity

(上接第4846页)

2　李骁春.基于数值分析和工程经验的现代大体积砼裂缝控制实土早期温度变化过程,对大体积混凝土温度控制具有重要的意义。

参　考　文　献

1　祝效华.ANSYS高级工程有限元分析范例精选.北京:电子工业用技术.河海大学,20083　李骁春,吴胜兴.基于水化度概念的早期混凝土热分析.科学技

术与工程,2008;9(2):441—445

4　李骁春,吴胜兴.基于ANSYS的混凝土早期徐变应力仿真分析.

系统仿真学报,2008;20(15):3944—3947

出版社,2004:26—43

MassConcreteTemperatureANSYSBasedonANSYSSecondDeveloped

LIYue,LIXiao2chun,ZHANGJian,ZHOUJi2kai

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(LianyungangAndaRealEstateCo.Ltd,Lianyungang222000P.R.China;

SuzhouSufangGroupCo.Ltd1,Suzhou215131P.R.China;HohaiUniversity2,210098P.R.China)

[Abstract]　ANSYSisfamousFEMsoftware.TheFEMmodulefortheconcretetemperaturefieldinconstructionwasdevelopedandappliedintoaprojectinthispaper.Atlast,goodresultwasobtained.[Keywords]　ANSYS　　massconcrete　　temperature