建筑材料在热湿耦合作用下的应力分析

第27卷 第3期 岩 土 工 程 学 报 Vol.27 No.3 2005年 3月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Mar., 2005 一种模拟热—水—应力耦合作用的节理单元及数值分析A kind of joint element simulating coupled thermo-hydro-mechanical phenomenonand relevant numerical analyses张玉军(中国科学院 武汉岩土力学研究所,湖北 武汉 430071)摘 要：对于具有相同厚度的4节点等参数节理单元，从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程入手，利用Galerkin 方法，将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，使之可用于分析岩体饱和不连续面中热—水—应力耦合弹性问题，并将这一单元模型加入到相应的二维有限元程序中。

通过假定的有、无节理的稳态渗流算例和核废料地下处置算例，表现了由于不连续面的存在，使得岩体中不连续面两侧的位移、水头不再连续，而温度场虽然连续但与无不连续面时相比仍有一定差别。

关键词：节理单元；热—水—应力耦合；二维有限元程序；弹性分析中图分类号：TU 458文献标识码：A文章编号：1000–4548(2005)03–0270–05作者简介：张玉军(1956–)，男，1992年7月毕业于同济大学地下建筑与工程系，获工学博士学位。

现为中国科学院武汉岩土力学研究所研究员，主要从事岩石力学与工程方面的研究工作。

ZHANG Yu-jun(Institute of Rock and Soil Mechanics, The Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)Abstract: In this paper, for the 4-node isoparametric quadrilateral joint element with the same thickness, firstly the momentum equilibrium equation, the continuity equation for water and the energy balance equation are established. Secondly by using the Galerkin method all the governing equations are discretized in the space domain and in the time domain respectively, then a kind of joint element model for elastic analysis of coupled thermo-hydro-mechanical phenomenon in saturated discontinuities of rockmass is developed tentatively. Through the assumed computation examples for a stable percolation and a nuclear waste repository, it is shown that under the condition of existing discontinuities the displacements and the water heads at the two sides of the discontinuities are discontinuous, and the temperature is continuous but there are some differences compared with the case without discontinuity.Key words: joint element; thermo-hydro-mechanical coupling; 2D FEM code; elastic analysis0 引 言在选择高放射性核废料地下处置的场地时，可能会遇到无法完全避开的地质不连续面。

总第３２１期交　通　科　技ＳｅｒｉａｌＮｏ．３２１　２０２３第６期ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮｏ．６Ｄｅｃ．２０２３ＤＯＩ１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１ ７５７０．２０２３．０６．００２收稿日期：２０２３ ０７ １３第一作者：李一石（１９８４－），男，高级工程师。

空腹式连续刚构桥零号块施工过程湿热场效应分析李一石（中铁大桥局集团第六工程有限公司　武汉　４３００００）摘　要　空腹式连续刚构桥在其施工过程中会受到湿热场效应的影响，可能会导致桥梁混凝土的开裂，影响桥梁使用寿命。

因此，文中依托湖北恩施云南庄特大桥，通过ＣＯＭＳＯＬ有限元软件建立桥梁湿热场模型，研究其零号块在施工过程中的湿热场效应。

结果表明，零号块的第一主应力在第３天达到峰值，为３．６７ＭＰａ，出现在梁体顶板和腹板外侧处。

此外，结构的第一主应力先减小后增大，其最大值在第２８天为１．８ＭＰａ。

关键词　空腹式连续刚构桥　施工过程　湿热场　多物理场耦合　局部分析中图分类号　Ｕ４４８．２３　Ｕ４４５．５１ 混凝土材料作为一种多孔介质材料，其内部温度和湿度的变化可能会导致混凝土的变形甚至开裂。

根据混凝土自身的变形机理，其湿热变化存在着耦合作用，这对于研究混凝土结构的变形开裂及耐久性至关重要［１］。

桥梁在施工过程中由于水泥水化反应和外界环境变化，其内部湿热场将会发生改变，混凝土结构内会产生不可忽略的拉应力，甚至有可能造成桥梁混凝土的开裂，影响桥梁的耐久性与安全性。

空腹式连续刚构桥由于跨径较大，结构相比普通刚构桥更加复杂，相比一般桥型受到湿热场效应的影响更大，尤其是在桥梁施工过程中由于水泥水化反应造成的结构内部湿热场变化，会产生较大的拉应力甚至导致混凝土结构开裂。

为了防治这类危害，需要对大跨空腹式连续刚构桥施工过程中的湿热场效应进行数值模拟和分析。

１　湿热场基本模型在用有限元软件对混凝土湿热场进行数值模拟时，可以用偏微分方程来描述混凝土中的湿热传输过程。

建筑材料在热湿耦合作用下的应力分析
王元妹;苏向辉
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2008(034)005
【摘要】为探讨温湿度变化引起的热湿应力对建筑材料强度的影响,从热传导、湿扩散的耦合方程出发,求得瞬态温度场和湿度场,并推导出包含热湿效应的各向同性材料的本构方程,从而由数值法得出材料应力大小及分布.
【总页数】3页(P10-12)
【作者】王元妹;苏向辉
【作者单位】南京航空航天大学航空宇航学院,江苏,南京,210016;南京航空航天大学航空宇航学院,江苏,南京,210016
【正文语种】中文
【中图分类】TU501
【相关文献】
1.热-结构耦合作用下硅太阳电池热应力分析 [J], 史志国;闫素英;田瑞;仲伟浩;包俊江;王胜捷
2.热固耦合作用下的套管-水泥环-地层多层组合系统应力分析 [J], 赵新波;韩生超;杨秀娟;闫相祯;张立松
3.竹筋混凝土的热湿应力分析 [J], 龙激波;李念平;王倩;曾德军;苏林
4.新型再生纤维织物的热湿耦合作用 [J], 王云仪;余庆文;冯家好;李俊;陈益松
5.缓冲层热—湿—力耦合作用研究简介 [J], 沈珍瑶;李国鼎;李书绅
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混凝土结构中的多场耦合效应研究一、绪论混凝土结构是现代建筑中广泛应用的一种材料，其强度和耐久性优越。

然而，混凝土结构在使用过程中会受到多种因素的影响，如温度变化、湿度变化、荷载等，这些因素会导致结构的变形和损伤。

因此，研究混凝土结构中的多场耦合效应对于提高结构的性能和耐久性具有重要意义。

本文将从多场耦合效应的概念和研究现状入手，对混凝土结构中的多场耦合效应进行研究，探讨其机理和影响因素，并提出相应的应对措施和未来研究方向。

二、多场耦合效应的概念和研究现状多场耦合效应是指在特定条件下，混凝土结构中不同物理场之间相互作用和影响，导致结构性能发生变化的现象。

其中，物理场包括温度场、湿度场、应力场等。

目前，国内外学者对混凝土结构中的多场耦合效应进行了广泛的研究。

其中，多场耦合效应主要包括温度-应力耦合效应、湿度-应力耦合效应和温度-湿度耦合效应三种。

1. 温度-应力耦合效应温度-应力耦合效应是指在温度变化的作用下，混凝土结构中产生应力变化的现象。

研究表明，混凝土结构的热膨胀系数较大，当温度变化时，混凝土结构会发生热膨胀或热收缩，导致结构的应力发生变化。

此外，温度变化还会影响混凝土结构的弹性模量和抗拉强度等力学性能。

2. 湿度-应力耦合效应湿度-应力耦合效应是指在湿度变化的作用下，混凝土结构中产生应力变化的现象。

研究表明，混凝土结构的吸湿性能较强，当湿度变化时，混凝土结构会发生吸湿或放湿，导致结构的应力发生变化。

此外，湿度变化还会影响混凝土结构的弹性模量和抗拉强度等力学性能。

3. 温度-湿度耦合效应温度-湿度耦合效应是指在温度和湿度变化的作用下，混凝土结构中产生相互作用和影响的现象。

研究表明，温度和湿度变化会导致混凝土结构中的孔隙度和水泥基材料的化学反应发生变化，从而影响混凝土结构的力学性能。

三、混凝土结构中多场耦合效应的机理和影响因素混凝土结构中多场耦合效应的机理是复杂的，其产生的原因涉及到材料化学反应、热传导、水分迁移和应力传递等多个方面。

水工混凝土温度应力分析和温控防裂研究
水工混凝土是将水泥、骨料、拌和水以及其它辅助加入剂加以搅拌调制而成，用于建
筑特殊结构的建筑材料。

水泥混凝土是建筑领域使用时间最长、最常见的建筑材料，但是
它也存在质量安全和使用寿命问题。

随着建筑行业的不断发展，研究人员着重于研究各种
水工混凝土的性能及其耐久性。

水工混凝土的性能和使用寿命有许多因素的影响，而温度应力分析和温控防裂是影响
水工混凝土性能及使用寿命的重要因素。

在施工过程中，混凝土经历放射性侵蚀，温度和
湿度变化等影响，温度和湿度交替变化，会出现温度压力冲击，增加混凝土的抗裂性能变
得十分重要。

温度应力分析是对混凝土温度压力冲击影响的研究，是影响水工混凝土抗裂性能和使
用寿命的主要因素。

研究人员利用多种实验方法和理论方法来研究和预测温度应力，其研
究结果提供了有关混凝土抗裂性能和抗气候能力的实验依据。

另一方面，混凝土温控防裂技术是对施工混凝土温度和湿度变化的一种控制，目的是
减少混凝土受温度压力冲击而产生的裂缝。

混凝土温控防裂技术的研究利用现代检测、施工、施工现场温度和湿度控制等技术，以及温度处理等方法，以降低沥青混凝土释放温度，并且研究聚合物砂浆对裂缝的抑制作用，从而提高混凝土的抗裂性能。

在总结上，水工混凝土温度应力分析和温控防裂是水工混凝土性能和使用寿命的关键
因素。

研究人员通过多种实验和理论研究，形成了在施工过程中，研究和控制混凝土温度
的技术，使混凝土的抗裂性能得以提升，水工混凝土的使用寿命也相应得到了很大的提高。

混凝土中化学-热-湿-力耦合过程的数值方法混凝土中的化学、热、湿、力耦合过程是一个复杂的问题，需要采用
数值方法进行模拟和研究。

以下是一些常用的数值方法：
1.有限元方法：将混凝土分割成若干个小单元，每个小单元的物理量
用一组方程描述，再将这些方程组成一个整体方程得到混凝土的耦合场仿
真求解。

2.有限体积方法：将混凝土分割成若干个控制体积，将方程在每个控
制体积上做积分得到离散的方程组，再求解。

3.贝叶斯网络方法：通过建立混凝土中的化学、热、湿、力等关系的
贝叶斯网络模型，推断出关系中的概率密度函数，进而预测混凝土的行为。

4.多物理场耦合方法：将混凝土中的化学、热、湿、力耦合作为多物
理场，利用系统辨识与多目标优化方法求解耦合过程中的变量。

5.神经网络方法：利用神经网络对混凝土中不同物理量之间的关系进
行预测和建模，进而对混凝土的耦合过程进行模拟和预测。

这些数值方法各有优缺点，需要根据研究对象、问题特点以及所需精
度等因素进行选择。

实验十三热－应力耦合分析（稳态热分析）（一）实验目的1．熟悉并掌握ANSYS软件的使用方法；2．掌握如何利用ANSYS进行热－应力耦合分析（稳态热分析）；（二）实验设备及工具安装有ANSYS软件的计算机（三）实验问题描述温度的分布不均会导致部件内部产生热应力，在结构分析中常会遇到需要考虑温度场对应力分布影响的情况。

特别在进行各类燃机的部件，如航空发动机的涡轮盘、叶片等的强度计算分析时通常要考虑热问题。

各类输送管道由于内外温度不同也会产生热应力。

另外材料的性能和其温度是相关的，不同的温度下其性能通常不同，这也会造成部件应力分布的变化。

1。

问题描述一无限长的截面形状和尺寸如图12.1所示的厚壁双层圆管，其内、外层温度分别为Ti和To，材料数据和边界条件如表12.1所示，利用ANSYS程序来求解圆管沿径向的温度分布情况，并求解圆管内沿径向和周向的应力情况。

图12.1 双层管道的截面图表12.1 材料性能参数表材料编号热导率(W/mm.℃) 弹性模量(MPa)泊松比热膨胀系数(－℃-1)1(钢),内层0.0234 2.05E5 0.3 1 0.3 2(铝) ,外层0.152 0.63E5 0.33 2 0.7从上面描述的问题可以看出，本实验属于轴对称问题，可以采用轴对称方法来进行分析。

同时本问题为典型的热－应力耦合问题，可以采用间接法顺序耦合分析的一般步骤进行分析。

因为管道为无限长，故建立模型时轴向尺寸可以是任意大于零的值，且将其一边轴向约束，一边所有节点轴向自由度耦合。

（四）实验步骤1. 建立模型在ANSYS中，首先通过完成如下工作来建立本算例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，建立几何模型并划分有限元网格等。

实验中定义的单元类型和材料属性都是针对热分析的。

下面将详细讲解分析过程。

1.1指定分析标题并设置分析范畴首先，指定本实验的分析路径、数据库的名称、分析标题。

受高温混凝土的水,热,力耦合的galerkin有限元格式受高温混凝土的水热力耦合的Galerkin有限元格式高温混凝土在各种工程领域中广泛应用，例如核电站和高温炉等。

然而，在高温环境下，混凝土会受到热、水和力的耦合作用，从而引起各种不稳定问题，如开裂和变形等。

为了更好地理解和解决这些问题，研究人员开发了各种数学模型和数值方法，其中Galerkin有限元方法是一种常用的数学工具。

Galerkin有限元方法是一种数值近似方法，旨在通过将连续问题离散化为一组代数方程来解决物理问题。

在高温混凝土中，水、热、力的耦合作用对结构的稳定性和性能有着重要影响。

因此，研究人员提出了一种基于Galerkin有限元方法的水热力耦合模型，来模拟高温混凝土中各个物理过程之间的相互作用。

在建立数学模型时，我们需要考虑高温混凝土在水、热、力三个方面的耦合行为。

首先，水的存在会引起混凝土的膨胀和吸湿，从而导致温度和应力场的变化。

因此，我们需要引入水的吸湿模型和渗流模型来描述水在混凝土中的分布和流动。

其次，高温引起混凝土内部温度场的变化，进而影响混凝土的力学性能。

因此，我们需要考虑温度场的传导和对流传热过程。

最后，由于混凝土的热膨胀和水分迁移，会引起内部应力的分布和变化。

因此，我们需要采用弹性力学模型来描述混凝土的机械行为。

根据以上分析，我们可以得到高温混凝土水热力耦合的Galerkin有限元模型。

首先，我们需要建立水的吸湿和渗流模型，采用质量守恒和达西定律来描述水的分布和流动。

其次，我们需要建立温度场的传导和对流传热模型，采用热传导方程和对流传热方程来描述温度场的变化。

最后，我们需要建立混凝土的弹性力学模型，采用应力平衡和胡克定律来描述混凝土的力学行为。

在数值实现方面，我们需要在有限元网格上离散化上述数学模型，并使用Galerkin方法得到代数方程组。

然后，我们可以使用求解器来解决这个方程组，得到高温混凝土中水、热、力三个物理场的数值解。