礦山工程施工溫度測(cè)試及應(yīng)力仿真

前言：想要寫(xiě)出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了礦山工程施工溫度測(cè)試及應(yīng)力仿真范文，希望能給你帶來(lái)靈感和參考，敬請(qǐng)閱讀。

摘要：礦山工程施工中溫度測(cè)試早期的溫度和應(yīng)力計(jì)算是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，從數(shù)學(xué)上進(jìn)行理論解答有很大難度，傳統(tǒng)的近似公式法和圖表法雖然方法簡(jiǎn)單，但誤差較大，不能考慮各種復(fù)雜的材料特性、邊界條件和施工方法；假定太多，不符合工程實(shí)際情況；不能推算工程施工內(nèi)部溫度場(chǎng)分布等。

關(guān)鍵詞：礦山工程施工；仿真分析；溫度

礦山工程施工中溫度測(cè)試早期的溫度和應(yīng)力計(jì)算是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，從數(shù)學(xué)上進(jìn)行理論解答有很大難度。傳統(tǒng)礦山工程施工中溫度測(cè)試結(jié)果以圖表、公式計(jì)算方式表現(xiàn)，這種方法存在誤差明顯，未能將施工中不同材料的特性考慮進(jìn)去；假定情況較多，不符合礦山工程施工的特定情況，不能推算出施工材料顳部溫度場(chǎng)分布。當(dāng)前還無(wú)法從理論角度對(duì)復(fù)雜施工材料溫度應(yīng)力做出精確測(cè)量。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)則克服了以上缺點(diǎn)，能夠比較真實(shí)準(zhǔn)確地反映工程中的各種復(fù)雜情況，使得復(fù)雜條件下施工材料溫度和應(yīng)力計(jì)算成為可能。

1采用振弦式傳感器的先期測(cè)試

為驗(yàn)證理論分析結(jié)論，掌握本工程中溫度、應(yīng)變變化的大致特點(diǎn)，選擇了一個(gè)暗渠試驗(yàn)段，采用傳統(tǒng)的振弦式傳感器對(duì)重點(diǎn)測(cè)試部位即墻體的溫度和應(yīng)變進(jìn)行了先期試驗(yàn)。（1）傳感器定位方案。在進(jìn)行傳感測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：應(yīng)變傳感器沿暗渠墻體長(zhǎng)度方向縱向布置；引出線宜集中布置，并應(yīng)加以保護(hù)；傳感器接頭安裝位置應(yīng)準(zhǔn)確，固定應(yīng)牢固，并與金屬結(jié)構(gòu)及固定架金屬體絕熱；傳感器周圍應(yīng)進(jìn)行保護(hù)，施工澆筑過(guò)程中，下料時(shí)不得直接沖擊測(cè)試測(cè)溫元件及其引出線；振搗時(shí)，振搗器不得觸及傳感器測(cè)溫元件及引出線。（2）溫度測(cè)試結(jié)果及分析。本次試驗(yàn)在9月底進(jìn)行。從澆筑開(kāi)始，即進(jìn)行傳感器的數(shù)據(jù)采集，在澆筑初期，間隔1h測(cè)試一次數(shù)據(jù)，2天后，間隔2h測(cè)試一次。整個(gè)測(cè)試過(guò)程持續(xù)254h。測(cè)試過(guò)程中同時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度和冷卻水溫。沿墻體厚度溫度分布。位于距底板接縫0.1m和2.1m兩個(gè)高度處布置了沿墻體厚度方向的等間距測(cè)點(diǎn)。A、B兩個(gè)斷面?zhèn)鞲衅鞯臏y(cè)試結(jié)果與具有類似的變化規(guī)律，但數(shù)值并不完全吻合，這與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)澆筑過(guò)程中的很多不確定因素有關(guān)。（3）應(yīng)變測(cè)試結(jié)果及分析。沿墻體厚度方向的應(yīng)變分布及變化規(guī)律。①在升溫階段，施工材料初凝后，由于內(nèi)、外約束的作用，墻體心部和邊緣處都是受壓的，隨著溫度升高，壓應(yīng)變開(kāi)始顯著增加，溫度達(dá)到峰值時(shí)，壓應(yīng)變達(dá)到最大。②墻體心部（5號(hào)）所受到的壓應(yīng)變明顯大于邊緣（7號(hào)）的壓應(yīng)變。③降溫開(kāi)始后，心部和邊緣的壓應(yīng)變都逐漸減小，邊緣位置（7號(hào)）在大約70h（3d）左右首先轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，心部位置在大約114h（4.8d）后變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。在轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)后，各傳感器的數(shù)據(jù)開(kāi)始逐漸趨于一致，并且隨時(shí)間的變化很小。

2模擬施工過(guò)程中的溫度應(yīng)力仿真分析

ANSYS進(jìn)行熱分析計(jì)算的基本原理是先將所處理的對(duì)象劃分成有限個(gè)單元（包含若干個(gè)節(jié)點(diǎn)），然后根據(jù)能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點(diǎn)處的熱平衡方程，由此計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)溫度，繼而進(jìn)一步求解出其他相關(guān)量。

2.1施工材料澆筑仿真過(guò)程

（1）分層澆筑的模擬。暗渠邊墻所用材料數(shù)量大，第二階段澆筑墻高6.8m，整個(gè)澆筑過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（十幾個(gè)小時(shí)）。在溫度模擬計(jì)算時(shí)，應(yīng)分層或分時(shí)間段來(lái)考慮材料在豎向（高度方向）上的澆筑時(shí)間差。（2）邊界條件的確定和施加方法。初始條件：結(jié)構(gòu)底板的初始溫度取為實(shí)測(cè)空氣溫度。邊界條件：在模型對(duì)稱界面上無(wú)熱對(duì)流，按絕熱邊界處理；在與空氣接觸的施工材料表面（每層澆筑上表面）施加熱對(duì)流，或通過(guò)模板與空氣接觸的施工材料表面（墻體端面及兩側(cè)）施加對(duì)流；已澆筑底板與新澆筑墻體之間屬于熱傳導(dǎo)情況。將以上各類邊界條件作為面荷載施加于實(shí)體模型的外表面。表面效應(yīng)單元利用實(shí)體表面的節(jié)點(diǎn)形成單元，覆蓋在實(shí)體單元表面。因此，表面效應(yīng)單元只增加單元數(shù)量，不增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量，利用表面效應(yīng)單元可以非常靈活地定義各類表面荷載。（3）荷載步的確定。瞬態(tài)熱分析中的荷載是隨時(shí)間變化的，為了表達(dá)隨時(shí)間變化的荷載，必須將荷載—時(shí)間曲線分為荷載步；荷載—時(shí)間曲線的每一個(gè)拐點(diǎn)為一個(gè)荷載步。對(duì)于每一個(gè)荷載步，必須定義荷載值及時(shí)間值，同時(shí)必須選擇荷載步為漸變或階躍。

2.2仿真參數(shù)選取

礦山工程施工項(xiàng)目中所使用的材料為C30，在材料型號(hào)和配合比已知的情況下，水化放熱規(guī)律性就基本知道了。材料的水化熱是依賴于齡期，其計(jì)算公式為如下所示：工程維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)，主要包括施工材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ、導(dǎo)溫系數(shù)a、比熱c、熱膨脹系數(shù)α、水泥水化熱Q等。盡管不同工程所用原材料配合比等有很大差別，但其λ、a、c值的變化幅度不大，對(duì)材料的溫度和應(yīng)力影響相對(duì)較小，對(duì)工程質(zhì)量的影響不是很大；不同的工程施工材料的α和Q往往有很大的差異，對(duì)溫度應(yīng)力以及裂縫的影響較為顯著。

2.3改變工況的仿真結(jié)果比較

在對(duì)與實(shí)際施工過(guò)程相一致的工況進(jìn)行模擬仿真并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后，確定了仿真的基本參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，為了對(duì)比不同條件下的溫度和應(yīng)力分布情況，充分利用仿真計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，分析不同參數(shù)對(duì)溫度和應(yīng)力的影響，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際澆筑狀態(tài)為基準(zhǔn)，進(jìn)行了幾種不同工況的仿真分析。進(jìn)行多工況仿真可以為施工提供重要參考，避免在實(shí)際施工中反復(fù)改變施工方案，造成財(cái)力和人力的浪費(fèi)。將單節(jié)暗渠的澆筑長(zhǎng)度由20m縮短為10m，進(jìn)行溫度仿真，以分析暗渠一次澆筑長(zhǎng)度對(duì)溫度峰值及分布規(guī)律的影響。單節(jié)暗渠長(zhǎng)度10m時(shí)，根據(jù)對(duì)稱性其仿真模型取1/2長(zhǎng)度?？梢钥闯鰬?yīng)力沿長(zhǎng)度、高度和厚度方向的分布情況與長(zhǎng)度20m時(shí)具有類似的規(guī)律，即長(zhǎng)度方向，中間應(yīng)力最大，向兩端應(yīng)力減小；高度方向：低處應(yīng)力大，隨高度增加應(yīng)力減小。

3結(jié)語(yǔ)

總之，仿真計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果之間總的規(guī)律和趨勢(shì)都是比較吻合的，但在具體數(shù)值上存在一定的差異，分析出現(xiàn)差異的原因主要是環(huán)境氣溫的隨機(jī)變化，計(jì)算時(shí)所選用參數(shù)的波動(dòng)性，以及現(xiàn)場(chǎng)傳感器埋設(shè)位置的精確程度等，此外，在實(shí)際礦山工程施工材料的攪拌及澆注成型過(guò)程中還有很多因素是不定的。在使用溫度和應(yīng)力場(chǎng)有限元成果時(shí)，應(yīng)注意材料參數(shù)波動(dòng)以及邊界條件不確定性等因素可能導(dǎo)致的誤差。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃淼.礦山工程施工中溫度測(cè)試底板水化熱仿真分析與溫控監(jiān)測(cè)[J].建筑施工,2017(11).

[2]徐珍,費(fèi)文平,彭仕麒.礦山工程施工中溫度測(cè)試熱應(yīng)力耦合分析方法研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2017(2).

[3]盧祥,陳建康,高策.基于隨機(jī)溫度場(chǎng)的重力壩施工期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2017(6).

作者：王旭 單位：中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司