礦山工程施工傳感器測試及溫度應(yīng)力仿真分析

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試早期的溫度和應(yīng)力計算是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題，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試結(jié)果以圖表、公式計算方式表現(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分布。當(dāng)前還無法從理論角度對復(fù)雜施工材料溫度應(yīng)力做出精確測量。隨著現(xiàn)代計算機(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，能夠比較真實準(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)力計算成為可能。

為驗證理論分析結(jié)論，掌握本工程中溫度、應(yīng)變變化的大致特點，選擇了一個暗渠試驗段，采用傳統(tǒng)的振弦式傳感器對重點測試部位即墻體的溫度和應(yīng)變進(jìn)行了先期試驗。（1）傳感器定位方案。在進(jìn)行傳感測試過程中，應(yīng)注意以下幾個問題：應(yīng)變傳感器沿暗渠墻體長度方向縱向布置；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)，施工澆筑過程中，下料時不得直接沖擊測試測溫元件及其引出線；振搗時，振搗器不得觸及傳感器測溫元件及引出線。（2）溫度測試結(jié)果及分析。本次試驗在9月底進(jìn)行。從澆筑開始，即進(jìn)行傳感器的數(shù)據(jù)采集，在澆筑初期，間隔1h測試一次數(shù)據(jù)，2天后，間隔2h測試一次。整個測試過程持續(xù)254h。測試過程中同時監(jiān)測環(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兩個高度處布置了沿墻體厚度方向的等間距測點。A、B兩個斷面?zhèn)鞲衅鞯臏y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，這與實際現(xiàn)場澆筑過程中的很多不確定因素有關(guān)。（3）應(yīng)變測試結(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)變開始顯著增加，溫度達(dá)到峰值時，壓應(yīng)變達(dá)到最大。②墻體心部（5號）所受到的壓應(yīng)變明顯大于邊緣（7號）的壓應(yīng)變。③降溫開始后，心部和邊緣的壓應(yīng)變都逐漸減小，邊緣位置（7號）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)開始逐漸趨于一致，并且隨時間的變化很小。

ANSYS進(jìn)行熱分析計算的基本原理是先將所處理的對象劃分成有限個單元（包含若干個節(jié)點），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)點處的熱平衡方程，由此計算出各節(jié)點溫度，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，整個澆筑過程持續(xù)時間較長（十幾個小時）。在溫度模擬計算時，應(yīng)分層或分時間段來考慮材料在豎向（高度方向）上的澆筑時間差。（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測空氣溫度。邊界條件：在模型對稱界面上無熱對流，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）施加熱對流，或通過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體模型的外表面。表面效應(yīng)單元利用實體表面的節(jié)點形成單元，覆蓋在實體單元表面。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間變化的，為了表達(dá)隨時間變化的荷載，必須將荷載—時間曲線分為荷載步；荷載—時間曲線的每一個拐點為一個荷載步。對于每一個荷載步，必須定義荷載值及時間值，同時必須選擇荷載步為漸變或階躍。

2.2仿真參數(shù)選取

礦山工程施工項目中所使用的材料為C30，在材料型號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，對材料的溫度和應(yīng)力影響相對較小，對工程質(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

在對與實際施工過程相一致的工況進(jìn)行模擬仿真并與實測數(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，為了對比不同條件下的溫度和應(yīng)力分布情況，充分利用仿真計算的優(yōu)勢，分析不同參數(shù)對溫度和應(yīng)力的影響，以現(xiàn)場實際澆筑狀態(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，避免在實際施工中反復(fù)改變施工方案，造成財力和人力的浪費。將單節(jié)暗渠的澆筑長度由20m縮短為10m，進(jìn)行溫度仿真，以分析暗渠一次澆筑長度對溫度峰值及分布規(guī)律的影響。單節(jié)暗渠長度10m時，根據(jù)對稱性其仿真模型取1/2長度。可以看出應(yīng)力沿長度、高度和厚度方向的分布情況與長度20m時具有類似的規(guī)律，即長度方向，中間應(yīng)力最大，向兩端應(yīng)力減�。桓叨确较颍旱吞帒�(yīng)力大，隨高度增加應(yīng)力減小。

總之，仿真計算結(jié)果和現(xiàn)場測試結(jié)果之間總的規(guī)律和趨勢都是比較吻合的，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，計算時所選用參數(shù)的波動性，以及現(xiàn)場傳感器埋設(shè)位置的精確程度等，此外，在實際礦山工程施工材料的攪拌及澆注成型過程中還有很多因素是不定的。在使用溫度和應(yīng)力場有限元成果時，應(yīng)注意材料參數(shù)波動以及邊界條件不確定性等因素可能導(dǎo)致的誤差。