预应力混凝土构件导电加热温度场仿真分析

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发布时间：2021-09-04

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预应力混凝土构件导电加热温度场仿真分析
蒋寅军，朱永华
(武汉大学土木建筑工程学院工程力学系，湖北武汉430072)
摘要：对于后张法预应力混凝土施工中常见的孔道质量事故，缺少快速有效的检测方法。提出基于导电加热技术的混凝土温度场红外
检测技术原理，并通过一个算例对预应力混凝土构件进行温度场仿真分析，分析结果表明，导电加热红外检测技术对于预应力混凝土孔道
质量事故的检测从能耗、效率和安全性上看是可行的，但需要对通电电流进行控制，以免因为产生过高的温度而影响钢绞线和混凝土的物
理力学性能。
关键词：预应力混凝土；导电加热；温度场；红外检测；数值仿真
中图分类号： TU528．叭文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(20lI)02—0010—04
Temperature field simulation of electric heating prestressed concrete com ponent
JIANG Yin-jun，ZHUYong-hua
(DepartmentofEngineeringMechanics，SchoolofCivilEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，China)
Abstract： Due tO lack of efective detection method，channel quality accidents of post-tensioned concrete construction cannot to be discovered
on time．Intended to put forward an infrared detection principle based on electric heating tO solve the above—mentioned problem．The results ofthe
numeric simulation on the temperature field ofa prestressed concrete component indicate that the electric he~ing infrared detection technology，
f0r its energy consumption．eficiency and safety，is feasible for detecting the channel quality accidents ofprestressed concrete component，but the
electric current needs to be controlled to avoid high temperature which afects the physical and mechanical prope~ies of the strand and the con·
crete．
Key words： prestressed concrete component；electric heating；temperature field；infrared detection；numeric simulation
0 引言
在后张法预应力混凝土施工中，孔道质量事故(孑L道位置
不正、塌陷、堵塞、灌浆不通畅、不密实等)是常见的质量事故【l1，
甚至会导致钢绞线卡死。对于预防以及处理些质量事故的方法
比较多[1]，但施工过程中如何发现和准确定位孔道质量事故却
缺少有效的方法，以致于一旦出现孔道质量事故导致钢绞线卡
死时，施工方不得不重做整个预应力构件，既造成浪费，又耽误
工期。因此，发展一种快速、准确、无损的预应力混凝土孔道质
量事故检测方法具有重要的意义。
导电加热切削(EHM)技术研究表明：通电加热作用区域
小，加热时间短，热效率高，对工件没有不良影响『l01。同时注意到
红外检测技术因为其无损、快速、直观等特点已经有充分发展，
由于钢绞线和混凝土具有不同的导电性，设想如果在钢绞线中
通以一定的电流，使钢绞线发热，影响混凝土温度场，经过一定
时间后通过红外热像仪获取混凝土构件表面温度场，或许可以
探测得到质量事故发生的位置，从而为采取冶当的处理措施提供依
据。为考察此方法的可行性，本研究从以下几个方面进行了探索：
(1)预应力混凝土构件电一热一应力耦合分析。通电钢绞线
温度变化不应当影响钢绞线和混凝土的物理力学性能，通过研
究通电钢绞线的温度变化规律及其对混凝土温度场和应力的
收稿日期：2010-09—29
基金项目：国家自然科学基金(50478056)
· 10 ·
影响，获得施加的电压(或电流)的限值。
(2)混凝土表面温度分布影响因素研究。红外检测对混凝土
表面温度分布有一定的要求，本研究着重了考察钢绞线埋深、通
电电流、通电时间、通电加热方式(恒定电流持续通电、恒温通电加
热)等因素对混凝土表面温度场的影响，明确本方法的限制条件。
(3)通电加热方法的可行性研究。混凝土表面的温度变化要
能够反映其内部特性，其能耗、时间、效率要满足经济性要求；
能耗要低，检测要快速、准确、无损。
本研究试图通过对通电加热预应力混凝土构件进行温度
场分析，讨论该方法的可行性，探讨对后张法预应力构件孔道
质量事故的检测方法，为及时、准确地预防、发现和处理孔道质
量事故提供依据。
1 预应力混凝土构件的温度场仿真分析
1．1 计算原理
根据焦耳定律，对钢绞线通以恒定电流时，其总发热量为：
Q=FR t (1)
式中：Q——钢绞线的发热量，J；
，—— 钢绞线中的通电电流，A；
尺 ——钢绞线电阻，Q；
— — 通电持续时间，S
绝热情况下，该焦耳热引起的钢绞线温度升高为：
AT=一 (2)
式中：△ ——钢绞线温度升高，℃；
c — — 钢绞线材料质量热容；
m — — 钢绞线的质量。
考虑到Rs=pt
，m=ylA则式(2)变为：
A
AT= t f3)
cyA
式中：p——钢绞线的电阻率，n·m；
卜一钢绞线长度；
A—— 钢绞线横截面积，rn ；
— — 钢绞线的密度，kg／m 。
式(3)中忽略钢绞线电阻率的温度系数。
由热传导理论，三维非稳定温度场T(x，，，，g，t)应满足下列
偏微分方程及相应的初始条件和边界条件：
= l + +罟』+g c【4 J
由上可知，混凝土温度分布及表面温度变化取决于钢绞线
的位置、钢绞线电阻、通电电流的强弱和通电时间的长短。当钢
绞线位置、电流和电阻基本恒定时，总发热量取决于加热时间，
时间越长，发热量越大。
由于钢绞线通电发热而使混凝土产生局部温度变化，在各
种约束作用下，预应力混凝土构件内必然产生温度应力，根据有
限元理论可以分析得到混凝土的温度应力分布【1l】'进而可以判断
温度变化是否会对钢绞线和混凝土的物理力学性能产生影响。
为了不产生过大的温度应力影响混凝土性能，混凝土内
部和表面、表面和环境之间的温差控制宜在5 oC以内_l2]。根据文
献[4—5】的研究，钢绞线的极限强度随着温度的升高，有较为一
致的降低趋势，但在300 oC以下，预应力钢丝的极限强度降低
很少(图1)。由于大多数预应力构件的正常工作环境温度不会
接近300 oC，故只要满足混凝土温度控制条件，钢绞线的物理
性能就不会受到影响。
0 0．00， 0．0 J0 U．0l 5 U．U2U 0．U2 0．030
应变
图1 高温下钢绞线应力一应变曲线[卅
根据式(3)，对于长度为4 m、公称直径为 =15．2 mm的钢
绞线，限定通电100 S时，钢绞线温度与电流的关系见图2，即
相同的时间内电流越大钢绞线温度升高越快。限定温升为5℃
时，钢绞线温度升高5℃所需要的时间与电流的关系见图3，即
电流越大，升高相同温度需要的时间越短。由图可知，欲使钢绞
线升高预定的温度，只需要通以适当的电流。由于式(3)是钢绞
线的绝热温升，实际工作时钢绞线与周围环境之间存在热交换，
会影响到钢绞线的温度，由于包裹在混凝土中的钢绞线只能与
0 20 40 60 80 l00 120 140 l60 l 80 200
电流，A
图2 通电100 s时钢绞线温度与电流的关系
电流／A
图3 钢绞线温度升高5 oc所需要的时间与电流的关系
混凝土之间传热，在电流一定时，只要适当延长时间就可以获
得预期的温升。
1．2 计算模型
考察一个350 mm(宽)x600 mm(高)x4 000 mm(长)的矩
形截面后张无黏结预应力混凝土简支梁(图4)。假设预应力钢
绞线对称布置，钢绞线中心到构件对称面的距离为6，单根钢绞
线公称直径为6=15．2 mm，公称面积A=140 mrn 。预应力混凝
土梁主要材料物理参数见表1[1-5]。计算时预应力混凝土构件初
始温度和环境温度设定为2O oC；混凝土表面与空气对流换热，
对流换热系数取为4．74 w／(