基于ANSYS 仿真的大體積混凝土溫控方案確定研究

甘 磊，吳金永

（河南省水利第二工程局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

0 引 言

大體積混凝土是現(xiàn)代工程中最為常見的結(jié)構(gòu)形式。由于大體積混凝土澆筑尺寸大、導(dǎo)熱性能差等特點(diǎn)，導(dǎo)致其在澆筑養(yǎng)護(hù)過程中容易產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，一旦溫度應(yīng)力超出混凝土的抗拉強(qiáng)度，會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，影響安全使用[1-3]。

對于大體積混凝土施工，需要制定科學(xué)合理的溫控方案和溫控措施，但現(xiàn)有規(guī)范僅給出指導(dǎo)性意見，不能對溫控方案的確定提供有效的科學(xué)指導(dǎo)。施工人員在制定溫控方案時(shí)，多根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，無法做到方案優(yōu)化[4-5]。本文擬采用仿真技術(shù)，利用ANSYS 有限元分析工具進(jìn)行大體積混凝土溫控仿真分析，通過對工程實(shí)例進(jìn)行方案優(yōu)化，提高大體積混凝土溫控施工的科學(xué)性。

1 實(shí)例選擇

泵站是常見的水利工程形式，本文選擇的工程實(shí)例為河南省某加壓泵站的泵房底板施工工程。泵站與水庫連接，用于加壓供水，設(shè)計(jì)流量19 m3/s，裝機(jī)數(shù)量為4 臺(tái)，單機(jī)裝機(jī)容量1 600 kW。

根據(jù)泵站設(shè)計(jì)，其主要建筑包括檢修閘、進(jìn)水池、泵房、管線等工程，其中泵房段底板澆筑尺寸最大，是溫控施工的關(guān)鍵部位。底板的澆筑長度87.0 m，寬度29.8 m，非齒槽處的底板最大澆筑厚度4.9 m，齒槽部位最大澆筑厚度4.5 m，底板橫截面見圖1。

圖1 泵房底板橫截面示意圖 單位：m

2 溫控方案初選

泵房底板澆筑尺寸大，屬于大體積混凝土施工范疇，為保證施工質(zhì)量，需制定科學(xué)合理的溫控方案。此次溫控施工除常規(guī)的優(yōu)化混凝土配合比、保溫養(yǎng)護(hù)、選擇合理澆筑時(shí)間等措施外，提出水管冷卻+跳倉法施工的技術(shù)方案。

2.1 冷卻水管布置

在混凝土中布設(shè)冷卻水管帶走水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，是混凝土溫控施工中常用的溫控措施。根據(jù)規(guī)范要求結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)選擇冷卻水管參數(shù)性能（見表1）。

表1 冷卻水管參數(shù)性能選擇表

2.2 跳倉法施工

跳倉法是降低混凝土溫度應(yīng)力的有效手段。跳倉法施工時(shí)，先將混凝土澆筑面分為若干澆筑倉，通過錯(cuò)開各澆筑倉的澆筑時(shí)間實(shí)現(xiàn)“跳倉”。根據(jù)泵房底板的澆筑尺寸，可沿長度方向分為左聯(lián)、右聯(lián)和中聯(lián)，每聯(lián)的澆筑長度為29.0 m。

2.3 初選溫控方案

在確定冷卻水管+跳倉法施工的基礎(chǔ)上初選溫控方案（見表2）。

表2 初選溫控方案表

3 仿真關(guān)鍵技術(shù)

3.1 仿真工具選擇

采用國際流行的大型有限元分析軟件ANSYS作為分析工具，可以實(shí)現(xiàn)多場耦合計(jì)算分析，適用于大體積混凝土溫度場、應(yīng)力場的聯(lián)合求解。選擇計(jì)算單元時(shí)，熱單元選擇SOLID70，在進(jìn)行溫度場和應(yīng)力場耦合計(jì)算時(shí)，將該單元轉(zhuǎn)換為SOLID45[6-7]。

采用ANSYS 建模，模擬泵房底板澆筑的單元?jiǎng)澐忠妶D2。

圖2 泵房底板有限元結(jié)構(gòu)圖

3.2 冷卻水管仿真技術(shù)

ANSYS 提供線單元結(jié)構(gòu)。線單元可以較好地實(shí)現(xiàn)對冷卻水管的模擬，通過線單元與體單元的有效耦合，模擬冷卻水管與混凝土的熱交互。冷卻水管的有限元結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 冷卻水管有限元結(jié)構(gòu)圖

3.3 跳倉法仿真技術(shù)

ANSYS 分析工具中提供“單元生死”功能：“生”表示該單元處于存在狀態(tài)，“死”表示該單元處于消失狀態(tài)。利用“單元生死”可以模擬混凝土跳倉法施工。具體實(shí)現(xiàn)過程中，先建立泵房底板的所有結(jié)構(gòu)模型，并將所有單元置于“死”狀態(tài)，當(dāng)澆筑至某塊混凝土?xí)r，將該塊混凝土的單元激活即可模擬跳倉法施工。

4 溫控方案優(yōu)化

按照各溫控方案的參數(shù)，依次對溫控方案1～6進(jìn)行仿真分析，得出溫度場和應(yīng)力場的變化規(guī)律。以方案1 為例，對其施工澆筑過程進(jìn)行溫控仿真分析。

4.1 溫度場仿真分析

針對跳倉法確定各塊澆筑時(shí)間，分別模擬各聯(lián)的澆筑過程，得出右聯(lián)下層、左聯(lián)上層、中聯(lián)下層和中聯(lián)上層澆筑10 d 后的混凝土溫度分布（見圖4）。

圖4 混凝土溫度變化云圖

4.2 應(yīng)力場仿真分析

將溫度場耦合至應(yīng)力場，分別模擬各聯(lián)的澆筑過程，得出右聯(lián)下層、左聯(lián)上層、中聯(lián)下層和中聯(lián)上層澆筑10 d 后的混凝土溫度應(yīng)力分布（見圖5）。

圖5 混凝土溫度應(yīng)力變化云圖

經(jīng)過對方案1 進(jìn)行溫控仿真分析，其最不利工況位置位于中聯(lián)下層澆筑時(shí)段，最大溫度拉應(yīng)力為1.12 MPa，安全系數(shù)為1.77。

4.3 溫控方案優(yōu)化

依次對溫控方案1～6 進(jìn)行仿真計(jì)算，得出其最不利工況位置、最大溫度拉應(yīng)力和對應(yīng)的安全系數(shù)及最大溫度拉應(yīng)力的出現(xiàn)時(shí)間，仿真結(jié)果見表3。

表3 不同方案的溫控仿真結(jié)果表

通過上述仿真分析可知，方案1～3 的最不利工況均出現(xiàn)在中聯(lián)下層位于齒槽上方的邊界中心處，最大溫度拉應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間為中聯(lián)下層澆筑后9 d 左右。其原因?yàn)椋糊X槽處澆筑厚度較大，為4.5 m，該位置距離基礎(chǔ)約束較遠(yuǎn)，已經(jīng)澆筑完成的左聯(lián)下層和右聯(lián)下層對中聯(lián)下層混凝土產(chǎn)生約束，上述約束疊加內(nèi)外溫差，造成中聯(lián)下層位于齒槽上方的邊界中心處在澆筑后9 d 左右出現(xiàn)最大溫度拉應(yīng)力。方案4～6 的最不利工況出現(xiàn)在中聯(lián)上層遠(yuǎn)離齒槽的邊角處，最大溫度拉應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間為中聯(lián)上層澆筑后10 d 左右，其原因?yàn)椋褐新?lián)上層的澆筑厚度較大，為1.9 m，考慮下層混凝土充分散熱，該層不設(shè)置冷卻水管，從而在中聯(lián)上層形成較大內(nèi)外溫差；齒槽對中聯(lián)上層約束弱，中聯(lián)上層主要受左聯(lián)上層、右聯(lián)上層以及中聯(lián)中層混凝土的約束，中聯(lián)上層遠(yuǎn)離齒槽的邊角處遠(yuǎn)離齒槽約束，沒有齒槽混凝土的熱量輸入，導(dǎo)致中聯(lián)上層遠(yuǎn)離齒槽的邊角處在澆筑后10 d 左右出現(xiàn)最大溫度拉應(yīng)力。以方案1和方案4 為例，其最大溫度拉應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)刻、出現(xiàn)位置的溫度應(yīng)力云見圖6。

圖6 溫度應(yīng)力云圖

通過ANAYS 仿真分析，方案1～6 均可以保證足夠的安全系數(shù)，但是2 層澆筑+3 層水管的澆筑方案（方案1～3）溫度拉應(yīng)力更小。相比之下，即便采用2 層澆筑，如果減少水管，仍會(huì)導(dǎo)致溫度拉應(yīng)力增加，這主要是由于水管的散熱作用強(qiáng)于分層澆筑的散熱作用。布置水管后，水管在初期帶走熱量，可以遏制混凝土內(nèi)部溫度升高。分2 層澆筑時(shí)，雖然也布置水管，但上層澆筑厚度較大，導(dǎo)致其最大溫度拉應(yīng)力有一定的提升。

通過方案對比，最終確定方案1 為最優(yōu)方案，即分2 層2 塊澆筑。其中每塊的下層澆筑3.0 m，布設(shè)2 層水管，每塊的上層澆筑1.9 m，布設(shè)1 層水管，水管間距0.8 m，通水流量為20 L/min。跳倉法澆筑順序依次為：左聯(lián)底板下層—右聯(lián)底板下層—左聯(lián)底板上層—右聯(lián)底板上層—中聯(lián)底板下層—中聯(lián)底板上層。

5 結(jié) 論

本文對泵房底板的大體積混凝土溫控施工方案的優(yōu)化、確定進(jìn)行研究，得到主要結(jié)論如下：

1）針對實(shí)例工程初選6 組溫控施工方案，利用ANSYS 有限元仿真工具實(shí)現(xiàn)不同溫控施工方案的溫度場和應(yīng)力場仿真模擬，得出其最不利工況、最大溫度應(yīng)力、安全系數(shù)及出現(xiàn)時(shí)間，結(jié)合工程的溫控施工要求，選出最優(yōu)的一組溫控方案。

2）針對冷卻水管+跳倉法的溫控施工方案，采用ANSYS 軟件中的線單元模擬冷卻水管、“單元生死”模擬跳倉法施工技術(shù)，可以較好地實(shí)現(xiàn)溫控施工過程的溫度場和應(yīng)力場仿真計(jì)算。