外界氣溫波動對大體積混凝土溫控的影響分析

陳云飛 史新義

摘 要：本文針對外界氣溫變化下的大體積混凝土溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行研究，引入外界氣溫函數(shù)，并利用ANSYS接口進(jìn)行二次開發(fā)仿真。結(jié)果表明，由于恒溫工況下的計算結(jié)果忽略了日內(nèi)氣溫變幅，其最大拉應(yīng)力出現(xiàn)時刻后推，而且計算結(jié)果偏小，不利于進(jìn)行混凝土的溫控防裂。在實際溫控中，人們應(yīng)考慮外界氣溫波動的影響，制定合理的溫控措施。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土;溫度控制;外界氣溫波動;ANSYS

中圖分類號：TU375.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0092-03

Analysis of Influence of Air Temperature Fluctuation on Temperature Control of Mass Concrete

CHEN Yunfei SHI Xinyi

（Henan No.2 Hydraulic Engineering Bureau，Zhengzhou Henan 450016）

Abstract： This paper studied the temperature field and stress field of mass concrete under the change of external temperature， introduced the external temperature function， and used the ANSYS interface for secondary development simulation. The results show that， because the calculation results under constant temperature conditions ignore the daily temperature variation， the time when the maximum tensile stress appears is pushed back， and the calculation result is too small， which is not conducive to temperature control and crack prevention of concrete. In actual temperature control， people should consider the influence of outside temperature fluctuations and formulate reasonable temperature control measures.

Keywords： mass concrete;temperature control;finite element;pouring parameters

在大體積混凝土的澆筑施工中，采取工程措施，對其進(jìn)行溫度控制，以減少其內(nèi)部溫升和溫度應(yīng)力，這是大體積混凝土施工技術(shù)的關(guān)鍵[1-3]。氣溫是大體積混凝土溫度控制的重要影響因素，一般進(jìn)行大體積混凝土溫控計算時，人們采用全年日平均氣溫，而且連續(xù)幾天澆筑時的外界氣溫往往采用定值，該計算方法簡單易行，但是其并未考慮日氣溫的波動變化，尤其是早晚溫差較大的工況，容易造成仿真偏差[4-5]。本文針對氣溫變化，引入變化函數(shù)，利用ANSYS的二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)大體積混凝土外界氣溫變化下的溫控仿真計算，以提升其實際溫控效果。

1 案例選擇

1.1 工程實例

工程實例選擇河南省水利第二工程局參與建設(shè)的河南省東部某水庫的除險加固工程項目，該水庫為具有防洪、灌溉、發(fā)電、供水和養(yǎng)殖等多用途的綜合性水庫，工程等別為一等。在除險加固過程中，計劃在原泄洪閘下游新修一座4孔、單孔凈寬12 m的水閘，對原閘進(jìn)行拆除，同時保留原閘的閘墩和閘底，新建閘的堰頂高程保持不變，中墩厚度設(shè)計值為2.4 m，邊墩厚度設(shè)計值為1.5 m。新建水閘底板采用分層澆筑，澆筑厚度結(jié)合溫控要求，與中墩厚度設(shè)計值相同，由于混凝土澆筑前期通常會出現(xiàn)混凝土最大拉應(yīng)力，因此本研究確定仿真模擬計算時間為混凝土澆筑的前7 d。

1.2 計算參數(shù)選擇

施工實際參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

混凝土不同齡期時的彈性模量為：

[E（t）=E0（1-e-0.09t）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[E（t）]為齡期為[t]時混凝土的彈性模量，MPa;[E0]為混凝土28 d齡期時的彈性模量，MPa，取2.8×104 MPa;[t]為混凝土齡期，d。

1.3 分析軟件

通常，受大體積混凝土材料特性、施工條件、施工工藝和外界氣溫環(huán)境等復(fù)雜因素制約，求大體積混凝土溫度應(yīng)力的解析解存在一定難度，施工中大多采用有限元分析軟件進(jìn)行分析求解。

ANSYS分析軟件是世界知名的大型通用有限元軟件，其具有強大的多場及多場耦合分析求解功能，因此可以有效解決大體積混凝土溫度場與應(yīng)力場的耦合問題，從而實現(xiàn)對大體積混凝土澆筑過程的仿真模擬。本文擬采用ANSYS作為溫度場及應(yīng)力場的分析求解工具。

1.4 計算模型

1.4.1 模型參數(shù)選擇。確定計算模型時，本研究選取較大的基巖范圍：[X]方向和[Y]方向分別選取混凝土澆筑長度和寬度的2倍，取60 m和28.8 m;選3.2 m作為下層基巖的深度值。

1.4.2 建模關(guān)鍵步驟。選擇等參熱實體單元，本次取SOLID70三維熱單元，該單元為六面體8節(jié)點，在[X]、[Y]、[Z]方向均具有熱傳導(dǎo)功能，而且各個節(jié)點都帶有一個溫度自由度，便于進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)熱分析。當(dāng)進(jìn)行溫度應(yīng)力場計算時，可以對SOLID70單元進(jìn)行等效結(jié)構(gòu)單元的轉(zhuǎn)換，即將其轉(zhuǎn)換為構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)的SOLID45單元，該單元與SOLID70呈對應(yīng)關(guān)系，同時具有8個節(jié)點，各個節(jié)點也都帶有三維各方向上平移的自由度，具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強化、大變形和大應(yīng)變功能。

2 外界氣溫恒定工況分析

根據(jù)施工期的實測溫度值，本研究選取多日的平均外界氣溫（14 ℃左右），模擬計算外界氣溫在澆筑期間保持恒定不變的工況。其間通過對閘底板混凝土進(jìn)行ANSYS建模求解，得出其典型點（中心點及表面點）的7 d溫度變化和表面點的應(yīng)力變化，如圖1、圖2所示。

由圖1可知，混凝土澆筑初期，結(jié)構(gòu)內(nèi)部水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生熱量，造成其內(nèi)部溫度升高。同時，在澆筑過程中，混凝土熱量不斷向基巖和空氣擴散。由于混凝土上部和空氣接觸，其表面散熱較快，散熱降溫效果較好，自混凝土表面向下，混凝土溫度值逐漸升高，即混凝土中心點溫度值遠(yuǎn)高于混凝土與空氣的接觸面，而且表面點與外界空氣接觸，其溫度變化更易受到外界空氣的影響，而中心點的溫度受外界氣溫的影響相對較小，并受混凝土導(dǎo)熱性能的制約，外界氣溫變化對內(nèi)部尤其是中心點的溫度影響滯后，因此造成混凝土內(nèi)外溫度差。

在混凝土澆筑過程中，下部的基巖部分自身不會產(chǎn)生熱量，基巖的溫度變化主要受氣上部混凝土的熱量傳輸影響，即基巖上部溫度高，內(nèi)部溫度低，基巖內(nèi)部不會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，混凝土的底板中通常會產(chǎn)生拉壓應(yīng)力。

混凝土內(nèi)部溫度擴散不均勻的內(nèi)外溫差造成混凝土在其內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，而在表面處產(chǎn)生拉應(yīng)力，如圖2所示。由于閘底板混凝土的上部和四周是與外界空氣直接接觸的，混凝土與外界進(jìn)行頻繁的熱交換，從而使得混凝土表面點溫度產(chǎn)生較大波動，也造成混凝土表面產(chǎn)生最大拉應(yīng)力。在混凝土的邊角點，受自由邊界的影響，加上混凝土下部基巖對其的約束較小，這些地方產(chǎn)生了最大拉應(yīng)力。

經(jīng)過仿真計算，混凝土澆筑期最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在第5天左右，最大值為0.65 MPa，其澆筑可滿足混凝土的防裂要求。

3 外界氣溫波動工況分析

3.1 氣溫函數(shù)確定

結(jié)合施工期的常年氣溫資料，本研究選擇正弦函數(shù)作為其氣溫函數(shù)，其函數(shù)表達(dá)如下[5]：

[T1（t）=T0+Asinπt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[T0]為氣溫平均溫度，本次仿真取14 ℃;[A]為氣溫1 d變化值，結(jié)合當(dāng)?shù)貙崪y數(shù)據(jù)，取10 ℃。

3.2 工況仿真分析

下面對上述氣溫函數(shù)進(jìn)行ANSYS接口的二次開發(fā)，計算其溫度和應(yīng)力的變化過程。典型點（中心點及表面點）的溫度變化以及表面點的應(yīng)力變化如圖3、圖4所示。

由圖3可知，在外界氣溫的影響下，混凝土表面點溫度值變化明顯，即呈正弦變化，而中心點距離外界較遠(yuǎn)，其溫度變化波動不明顯。內(nèi)外溫度差的波動變化也會改變混凝土表面的最大拉應(yīng)力，如圖4所示。由上述結(jié)果可知，在外界氣溫波動的情況下，當(dāng)混凝土澆筑到第4.5 d左右時，其出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值達(dá)到1.05 MPa左右，較恒溫工況下的拉應(yīng)力出現(xiàn)時間有所提前，而且應(yīng)力值有明顯的增加，應(yīng)力值的提前和增加均不利于大體積混凝土的溫控。

4 結(jié)論

通過上述分析可知，氣溫為常溫情況下的計算結(jié)果忽略了日內(nèi)氣溫變幅，其最大拉應(yīng)力出現(xiàn)時刻后推，計算結(jié)果偏小，對大體積混凝土的溫控防裂產(chǎn)生不利影響。因此，在大體積混凝土施工過程中，必須考慮氣溫日內(nèi)的變幅，以便制定相應(yīng)的溫控措施，指導(dǎo)混凝土溫控和防裂。

參考文獻(xiàn)：

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