矿山工程施工中温度测试及应力仿真分析

王 旭

（中铁十九局集团矿业投资有限公司，北京 100071）

矿山工程施工中温度测试早期的温度和应力计算是一个相当复杂的问题，从数学上进行理论解答有很大难度。传统矿山工程施工中温度测试结果以图表、公式计算方式表现，这种方法存在误差明显，未能将施工中不同材料的特性考虑进去；假定情况较多，不符合矿山工程施工的特定情况，不能推算出施工材料颞部温度场分布。当前还无法从理论角度对复杂施工材料温度应力做出精确测量。随着现代计算机技术的飞速发展，数值仿真技术则克服了以上缺点，能够比较真实准确地反映工程中的各种复杂情况，使得复杂条件下施工材料温度和应力计算成为可能。

1 采用振弦式传感器的先期测试

为验证理论分析结论，掌握本工程中温度、应变变化的大致特点，选择了一个暗渠试验段，采用传统的振弦式传感器对重点测试部位即墙体的温度和应变进行了先期试验。

（1）传感器定位方案。在进行传感测试过程中，应注意以下几个问题：应变传感器沿暗渠墙体长度方向纵向布置；引出线宜集中布置，并应加以保护；传感器接头安装位置应准确，固定应牢固，并与金属结构及固定架金属体绝热；传感器周围应进行保护，施工浇筑过程中，下料时不得直接冲击测试测温元件及其引出线；振捣时，振捣器不得触及传感器测温元件及引出线。

（2）温度测试结果及分析。本次试验在9月底进行。从浇筑开始，即进行传感器的数据采集，在浇筑初期，间隔1h测试一次数据，2天后，间隔2h测试一次。整个测试过程持续254h。测试过程中同时监测环境温度和冷却水温。沿墙体厚度温度分布。位于距底板接缝0.1m和2.1m两个高度处布置了沿墙体厚度方向的等间距测点。A、B两个断面传感器的测试结果与具有类似的变化规律，但数值并不完全吻合，这与实际现场浇筑过程中的很多不确定因素有关。

（3）应变测试结果及分析。沿墙体厚度方向的应变分布及变化规律。①在升温阶段，施工材料初凝后，由于内、外约束的作用，墙体心部和边缘处都是受压的，随着温度升高，压应变开始显著增加，温度达到峰值时，压应变达到最大。②墙体心部（5号）所受到的压应变明显大于边缘（7号）的压应变。③降温开始后，心部和边缘的压应变都逐渐减小，边缘位置（7号）在大约70h（3d）左右首先转变为受拉状态，心部位置在大约114h（4.8d）后变为受拉状态。在转为受拉状态后，各传感器的数据开始逐渐趋于一致，并且随时间的变化很小。

2 模拟施工过程中的温度应力仿真分析

ANSYS进行热分析计算的基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元（包含若干个节点），然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度，继而进一步求解出其他相关量。

2.1 施工材料浇筑仿真过程

（1）分层浇筑的模拟。暗渠边墙所用材料数量大，第二阶段浇筑墙高6.8m，整个浇筑过程持续时间较长（十几个小时）。在温度模拟计算时，应分层或分时间段来考虑材料在竖向（高度方向）上的浇筑时间差。

（2）边界条件的确定和施加方法。初始条件：结构底板的初始温度取为实测空气温度。边界条件：在模型对称界面上无热对流，按绝热边界处理；在与空气接触的施工材料表面（每层浇筑上表面）施加热对流，或通过模板与空气接触的施工材料表面（墙体端面及两侧）施加对流；已浇筑底板与新浇筑墙体之间属于热传导情况。

将以上各类边界条件作为面荷载施加于实体模型的外表面。

表面效应单元利用实体表面的节点形成单元，覆盖在实体单元表面。因此，表面效应单元只增加单元数量，不增加节点数量，利用表面效应单元可以非常灵活地定义各类表面荷载。

（3）荷载步的确定。瞬态热分析中的荷载是随时间变化的，为了表达随时间变化的荷载，必须将荷载—时间曲线分为荷载步；荷载—时间曲线的每一个拐点为一个荷载步。对于每一个荷载步，必须定义荷载值及时间值，同时必须选择荷载步为渐变或阶跃。

2.2 仿真参数选取

矿山工程施工项目中所使用的材料为C30，在材料型号和配合比已知的情况下，水化放热规律性就基本知道了。材料的水化热是依赖于龄期，其计算公式为如下所示：

工程维护结构的热工参数，主要包括施工材料的导热系数λ、导温系数a、比热c、热膨胀系数α、水泥水化热Q等。尽管不同工程所用原材料配合比等有很大差别，但其λ、a、c值的变化幅度不大，对材料的温度和应力影响相对较小，对工程质量的影响不是很大；不同的工程施工材料的α和Q往往有很大的差异，对温度应力以及裂缝的影响较为显著。

2.3 改变工况的仿真结果比较

在对与实际施工过程相一致的工况进行模拟仿真并与实测数据进行比较后，确定了仿真的基本参数。在此基础上，为了对比不同条件下的温度和应力分布情况，充分利用仿真计算的优势，分析不同参数对温度和应力的影响，以现场实际浇筑状态为基准，进行了几种不同工况的仿真分析。进行多工况仿真可以为施工提供重要参考，避免在实际施工中反复改变施工方案，造成财力和人力的浪费。

将单节暗渠的浇筑长度由20m缩短为10m，进行温度仿真，以分析暗渠一次浇筑长度对温度峰值及分布规律的影响。单节暗渠长度10m时，根据对称性其仿真模型取1/2长度。可以看出应力沿长度、高度和厚度方向的分布情况与长度20m时具有类似的规律，即长度方向，中间应力最大，向两端应力减小；高度方向：低处应力大，随高度增加应力减小。

3 结语

总之，仿真计算结果和现场测试结果之间总的规律和趋势都是比较吻合的，但在具体数值上存在一定的差异，分析出现差异的原因主要是环境气温的随机变化，计算时所选用参数的波动性，以及现场传感器埋设位置的精确程度等，此外，在实际矿山工程施工材料的搅拌及浇注成型过程中还有很多因素是不定的。在使用温度和应力场有限元成果时，应注意材料参数波动以及边界条件不确定性等因素可能导致的误差。