基于ANSYS的大体积混凝土水化热分析

何谓大体积混凝土，英文是concrete in mass，我国《大体积混凝土施工标准》GB50496-2018里规定：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。----引自百度百科。

通俗来说，对于浇筑尺寸边长大于1m的混凝土构筑物，都可以当做大体积混凝土。在实际工程中，大体积混凝土广泛应用于船坞、船闸、桥墩、闸底板、大坝等工程。如下述图片所示

大型水利枢纽--图片源于网络。

桥墩--图片源于网络。

船闸模型示例--图片源于网络。

浇筑中的基础--图片源于网络。

大体积混凝土由于体积厚大，导热系数较低，容易生产温度裂缝。但由于水泥水化过程中，系统的温度、生热率、热流率、热边界条件等参数随时间都有明显变化。下面说下ANSYS中如何进行水化热分析。

利用ANSYS进行水化热分析时，一般分两步走：第1步，采用温度场单元进行水化热温度场分析；第2步，将前面所得到的的温度场分析结果转为应力场，施以相应的边界条件，然后进行应力场分析。

利用 ANSYS进行温度场分析时，对于三维实体单元，通常采用SOLID70 ，通过查看帮助文档或者教程，可知该单元有8 个节点，且每个节点上只有一个温度自由度，具有三个方向的热传导能力，并能实现匀速热流的传递。该单元可以用于三维静态或瞬态的热分析，同时此单元也可以进行结构分析。

solid70单元

用ANSYS计算大体积混凝土温度场的目的是以此为基础来计算温度应力。因此计算大体积混凝土三维温度场时可选取三维实体热单元SOLID70，该单元可以在前处理器通过“ETCHG,TTS”命令进行单元转换，原来的热单元SOLID70 将自动转换为结构单元SOLID45，以方便接下来的温度应力计算。

下面以如下图所示的几何尺寸为例，进行大体积混凝土的水化热分析。

混凝土与地基的热力学参数取值范围：

混凝土：热传导率k=2.6~2.8w/m·℃，比热c=1.05~1.26kJ/kg·℃，密度rou=2300~2500kg/m3

基础（岩体或土质地基）：热传导率k=1.7~5.2w/m·℃，比热c=0.71~0.88kJ/kg·℃，密度rou=1800~2700kg/m3

不同表面对流换热系数β(w/m2·℃)

钢模板=14~15

木模板=6~8

空气=13

上述参数，具体可结合工程实际或者参考规范进行计算，也可以通过查阅相近文献总结选取。

几何模型尺寸

有限元网格划分

不同时刻外部环境温度

不同时刻水泥水化热生成率

对于水泥水化热放热率，在ANSYS中通过HGEN的形式实现。

初始状态温度云图

基础为14℃，上部浇筑混凝土为16.5℃。

t=12h水化热引起温度分布

t=30h水化热引起温度分布

t=60h水化热引起温度分布

t=120h水化热引起温度分布

选取不同位置节点，提取该位置处的温度时程分布

不同节点处的温度分布曲线

可以看到，水化初期温度急剧上升，随着水化反应的持续进行，水泥水化放热量也在不断降低，最终使得混凝土的温度呈逐渐降低的趋势；同时越靠近浇筑位置处的表层，由于与外界环境热交换速度相对较快，使得温度的变化幅度也相对较大。

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Ps:上述案例应用ANSYS做了大体积混凝土的水化热反应分析算例，感兴趣的朋友可以通过查阅文献进一步了解。

相对于ABAQUS来说，利用ANSYS进行水化热分析并不需要进行二次开发来实现，相对而言比较简单且使用性强；而在ABAQUS中，则需通过编译Fortran子程序来实现水泥水化热的热生成率函数，且ABAQUS子程序关联验证也相对麻烦些。