航電樞紐大體積混凝土溫度場(chǎng)仿真模擬參數(shù)優(yōu)化研究

王新剛，諸葛愛軍

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

大體積混凝土由于結(jié)構(gòu)尺寸大、并且混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較低，膠材水化放出的熱量難以很快散失，內(nèi)部溫度會(huì)很高，從而可能引起結(jié)構(gòu)變形和開裂[1]，這是大體積混凝土結(jié)構(gòu)區(qū)別于普通混凝土結(jié)構(gòu)的典型特征。因此大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工前必須對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定相應(yīng)溫控防裂技術(shù)措施，從而達(dá)到避免或減少混凝土開裂的目的[2]。但大體積混凝土溫度場(chǎng)仿真模擬需要用到參數(shù)較多，比如膠材水化熱、混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等，這些參數(shù)不可能每項(xiàng)都經(jīng)由試驗(yàn)獲得，部分參數(shù)不得不采用規(guī)范值或經(jīng)驗(yàn)值。即使是由試驗(yàn)獲得的參數(shù)，由于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與試驗(yàn)室環(huán)境有較大差別，也可能與實(shí)際情況不符，從而造成誤差。另外在施工過程中，各種影響因素較多，混凝土實(shí)際澆筑時(shí)的配合比、材料熱學(xué)性能等都可能發(fā)生變化，實(shí)際參數(shù)容易偏離溫度場(chǎng)仿真模擬取值。

為了使大體積混凝土溫度場(chǎng)仿真分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果更加接近，結(jié)合江西信江八字嘴航電樞紐工程，在對(duì)溫度場(chǎng)仿真模擬參數(shù)分類分析的基礎(chǔ)上，將航電樞紐大體積混凝土溫度場(chǎng)有限元仿真模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，找出產(chǎn)生誤差的根本原因，并對(duì)相應(yīng)的仿真模擬參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，使仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果更加接近，從而達(dá)到提高航電樞紐大體積混凝土溫度場(chǎng)仿真模擬精度、優(yōu)化溫控技術(shù)措施、減少混凝土開裂的目的。

1 溫度場(chǎng)仿真模擬參數(shù)優(yōu)化思路

1.1 參數(shù)分類

為了便于溫度場(chǎng)仿真分析模擬參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，將這些參數(shù)分為3大類[3]，即常規(guī)參數(shù)、時(shí)變參數(shù)和邊界條件參數(shù)。

各類參數(shù)名稱、取值方法及可能影響的計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1 大體積混凝土場(chǎng)仿真模擬參數(shù)分類及取值方法Table 1 Classification and value selection method of simulation parameters of mass concrete field

1.2 模擬參數(shù)反分析優(yōu)化方法

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工前，根據(jù)表1選取溫度場(chǎng)仿真模擬參數(shù)初始值，然后建立有限元模型進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，再將仿真模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析，依據(jù)表1調(diào)整相應(yīng)的仿真模擬參數(shù)。參數(shù)調(diào)整完成后再進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，直到仿真模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致為止。

2 上閘首底板溫度場(chǎng)仿真模擬

2.1 工程概況

江西信江八字嘴航電樞紐工程，位于信江下游河段，以航運(yùn)為主，兼有發(fā)電等綜合利用。本工程包括閘首、閘室、閘室出水段等，均為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，且混凝土結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，裂縫控制難度較大。

2.2 有限元模型

上閘首底板一層尺寸為43.5 m×29.5 m×1.33 m，建立有限元模型如圖1所示，計(jì)算參數(shù)取值如表1所列。

圖1 上閘首底板有限元模型Fig.1 Finite element model of upper gate head bottom plate

2.3 仿真模擬結(jié)果

上閘首底板溫度場(chǎng)仿真模擬時(shí)長(zhǎng)為30 d，混凝土內(nèi)部最高溫度為60.2℃，溫峰出現(xiàn)時(shí)間為混凝土澆筑完成后60 h?；炷帘砻孀罡邷囟葹?8.5℃，溫峰出現(xiàn)時(shí)間為混凝土澆筑完成后24 h。中心溫度和表面溫度隨時(shí)間變化有限元模擬結(jié)果如圖2所示[8]。

圖2 上閘首底板中心溫度和表面溫度隨時(shí)間變化有限元仿真模擬結(jié)果Fig.2 Finite element simulation results of the center temperature and surface temperature of the upper gate heat bottom plate changing with time

3 上閘首底板混凝土溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

上閘首底板共布置2個(gè)混凝土溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在立面上布置4個(gè)溫度傳感器。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 上閘首底板溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.3 Layout plan of temperature monitoring points of upper gate head bottom plate

3.2 溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

上閘首底板混凝土溫度監(jiān)測(cè)時(shí)間為30 d，混凝土內(nèi)部最高溫度為60.8℃，溫峰出現(xiàn)時(shí)間為混凝土澆筑完成后56 h?；炷帘砻孀罡邷囟葹?6.9℃，溫峰出現(xiàn)時(shí)間為混凝土澆筑完成后24 h。中心溫度和表面溫度隨時(shí)間變化實(shí)測(cè)值如圖4所示。

圖4 上閘首底板中心溫度和表面溫度隨時(shí)間變化實(shí)測(cè)值Fig.4 Measured value of center temperature and surface temperature of upper gate head bottom plate changing with time

4 參數(shù)優(yōu)化

上閘首底板溫度仿真模擬值和實(shí)測(cè)值差異如表2所列。由表2可以看出，上閘首底板溫度仿真模擬值與實(shí)測(cè)值差異較大的主要有：中心降溫速率、表面溫峰值及表面降溫速率。

表2 上閘首底板溫度仿真模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Table 2 Comparison between simulated value and measured value of temperature of upper gate head bottom plate

根據(jù)表1，需要優(yōu)化調(diào)整的參數(shù)主要有3個(gè)：導(dǎo)熱系數(shù)、水化放熱速率、表面放熱系數(shù)。經(jīng)多次反復(fù)調(diào)整參數(shù)及仿真模擬計(jì)算，最終得到這3個(gè)參數(shù)的優(yōu)化值，即導(dǎo)熱系數(shù)取8.1 kJ/（m·h·℃），水化放熱速率（放熱系數(shù)函數(shù)a）取1.04，表面放熱系數(shù)取34.86 kJ/（m2·h·℃）。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后上閘首底板溫度隨時(shí)間變化仿真模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖5所示。

圖5 參數(shù)優(yōu)化后上閘首底板溫度隨時(shí)間變化仿真模擬值與實(shí)測(cè)值Fig.5 Simulation value and measured value of temperature of upper gate head bottom plate changing with time after parameter optimization

由圖5可以看出，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后上閘首底板溫度隨時(shí)間變化仿真模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致，誤差在可接受范圍內(nèi)，大大提高了溫度場(chǎng)仿真模擬精度。

5 結(jié)語

大體積混凝土溫度場(chǎng)仿真模擬分析所需的各個(gè)參數(shù)，大多取經(jīng)驗(yàn)值或?qū)崪y(cè)值，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過程中，各種隨機(jī)性及不可預(yù)見性因素較多，就可能造成仿真模擬結(jié)果與實(shí)際有較大差別。大體積混凝土溫度場(chǎng)仿真模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值完全相符幾乎是不可能的，但通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)仿真模擬參數(shù)進(jìn)行反分析優(yōu)化，反復(fù)不斷調(diào)整仿真模擬參數(shù)，是可以達(dá)到仿真模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相近的目的。