何謂大體積混凝土，英文是concrete in mass，我國《大體積混凝土施工標準》GB50496-2018里規(guī)定：混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土，稱之為大體積混凝土。----引自百度百科。

通俗來說，對于澆筑尺寸邊長大于1m的混凝土構筑物，都可以當做大體積混凝土。在實際工程中，大體積混凝土廣泛應用于船塢、船閘、橋墩、閘底板、大壩等工程。如下述圖片所示

大型水利樞紐--圖片源于網(wǎng)絡。

橋墩--圖片源于網(wǎng)絡。

船閘模型示例--圖片源于網(wǎng)絡。

澆筑中的基礎--圖片源于網(wǎng)絡。

大體積混凝土由于體積厚大，導熱系數(shù)較低，容易生產(chǎn)溫度裂縫。但由于水泥水化過程中，系統(tǒng)的溫度、生熱率、熱流率、熱邊界條件等參數(shù)隨時間都有明顯變化。下面說下ANSYS中如何進行水化熱分析。

利用ANSYS進行水化熱分析時，一般分兩步走：第1步，采用溫度場單元進行水化熱溫度場分析；第2步，將前面所得到的的溫度場分析結果轉(zhuǎn)為應力場，施以相應的邊界條件，然后進行應力場分析。

利用 ANSYS進行溫度場分析時，對于三維實體單元，通常采用SOLID70 ，通過查看幫助文檔或者教程，可知該單元有8 個節(jié)點，且每個節(jié)點上只有一個溫度自由度，具有三個方向的熱傳導能力，并能實現(xiàn)勻速熱流的傳遞。該單元可以用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析，同時此單元也可以進行結構分析。

solid70單元

用ANSYS計算大體積混凝土溫度場的目的是以此為基礎來計算溫度應力。因此計算大體積混凝土三維溫度場時可選取三維實體熱單元SOLID70，該單元可以在前處理器通過“ETCHG,TTS”命令進行單元轉(zhuǎn)換，原來的熱單元SOLID70 將自動轉(zhuǎn)換為結構單元SOLID45，以方便接下來的溫度應力計算。

下面以如下圖所示的幾何尺寸為例，進行大體積混凝土的水化熱分析。

混凝土與地基的熱力學參數(shù)取值范圍：

混凝土：熱傳導率k=2.6~2.8w/m·℃，比熱c=1.05~1.26kJ/kg·℃，密度rou=2300~2500kg/m3

基礎（巖體或土質(zhì)地基）：熱傳導率k=1.7~5.2w/m·℃，比熱c=0.71~0.88kJ/kg·℃，密度rou=1800~2700kg/m3

不同表面對流換熱系數(shù)β(w/m2·℃)

鋼模板=14~15

木模板=6~8

空氣=13

上述參數(shù)，具體可結合工程實際或者參考規(guī)范進行計算，也可以通過查閱相近文獻總結選取。

幾何模型尺寸

有限元網(wǎng)格劃分

不同時刻外部環(huán)境溫度

不同時刻水泥水化熱生成率

對于水泥水化熱放熱率，在ANSYS中通過HGEN的形式實現(xiàn)。

初始狀態(tài)溫度云圖

基礎為14℃，上部澆筑混凝土為16.5℃。

t=12h水化熱引起溫度分布

t=30h水化熱引起溫度分布

t=60h水化熱引起溫度分布

t=120h水化熱引起溫度分布

選取不同位置節(jié)點，提取該位置處的溫度時程分布

不同節(jié)點處的溫度分布曲線

可以看到，水化初期溫度急劇上升，隨著水化反應的持續(xù)進行，水泥水化放熱量也在不斷降低，最終使得混凝土的溫度呈逐漸降低的趨勢；同時越靠近澆筑位置處的表層，由于與外界環(huán)境熱交換速度相對較快，使得溫度的變化幅度也相對較大。

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Ps:上述案例應用ANSYS做了大體積混凝土的水化熱反應分析算例，感興趣的朋友可以通過查閱文獻進一步了解。

相對于ABAQUS來說，利用ANSYS進行水化熱分析并不需要進行二次開發(fā)來實現(xiàn)，相對而言比較簡單且使用性強；而在ABAQUS中，則需通過編譯Fortran子程序來實現(xiàn)水泥水化熱的熱生成率函數(shù)，且ABAQUS子程序關聯(lián)驗證也相對麻煩些。