船閘底板大體積混凝土溫度場仿真分析

(1.湖南水利水電工程監理承包總公司，湖南 長沙 410007；2.湖南水利水電職業技術學院，湖南 長沙 410131；3.長沙市湘江綜合樞紐開發有限責任公司，湖南 長沙 410200)

在水庫大壩、電站廠房、船閘等水工建筑物的建設時，大體積混凝土結構在澆筑過程中，由于體積較大，導熱系數偏低，會中產生大量的水化熱，容易產生溫度裂縫。資料顯示：大體積混凝土結構工程，由溫度引起的裂縫約占12.3%，世界各國已建成的混凝土大壩絕大多數存在溫度裂縫，在已知的破壞較嚴重的243座混凝土大壩中，由于溫度問題產生裂縫的有30座[1]。船閘底板是一種典型的準大體積混凝土結構，在其分層澆筑的過程中，普遍存在由于溫度控制不當引起的裂縫。本文結合湘江長沙綜合樞紐船閘底板混凝土工程，利用有限元分析軟件對底板大體積混凝土結構進行施工過程的溫度場分析，并與現場溫度監測結果進行對比，驗證仿真分析的可行性，進一步優化混凝土澆筑工藝和控制措施，實現大體積混凝土溫度控制預期效果。

1 工程概況

湘江長沙綜合樞紐船閘位于湘江蔡家洲河段左汊，為雙線船閘，船閘等級為2000t，單線船閘的有效尺寸為280m×34m×4.50m(長×寬×門檻水深)，設計年通過能力9400萬噸。

為及時、全面、準確地掌握混凝土施工過程內部的溫度變化情況，通過分析溫度應力對裂縫產生的影響程度，從而驗證原有的溫度控制措施的有效性，并根據實際情況進一步完善溫控措施，對船閘基礎底板混凝土施工進行全過程溫升監測，取得了豐富的監測成果資料。

2 非穩定溫度場仿真

2.1 混凝土分層澆筑情況

船閘閘首底板混凝土澆筑分四層澆筑，澆筑厚度按照第一層2m，第二層1.50m，第三層3.10m，第四層0.90m方案，避開側邊預留寬縫的影響，每層澆筑的時間間隔按照澆筑厚度確定，分別為3天、3天、7天、3天，混凝土澆筑的基本情況如圖1所示。

圖1 混凝土澆筑分層

根據實際的分層澆筑情況，選取計算模型。由于長沙樞紐船閘閘首采用的是整體塢式結構，該結構采用底板預留寬縫的施工方法，在底板上預留兩條1.50m寬的寬縫，使原來62m寬的底板分為3段，中間段長為20m，兩側段長為19.50m。本次仿真分析選取下閘首底板中間段結構(具體有限元模型如圖2所示)。混凝土方量約2625m3，采用C25混凝土(混凝土配合比見表1)。

水/kg水泥/kg摻合料粉煤灰/kg礦粉/kg砂/kg卵石/kg20～40外加劑/kg水灰比強度等級1541801077280211422.860.43C25

2.2 監測儀器的埋設

根據《湘江長沙綜合樞紐工程船閘大體積混凝土溫度監測方案》施工，共布置溫度計175支，分5層布置，每層35支，埋設于混凝土層面，埋設位置誤差控制在5cm以內。

2.3 有限元模型建立

閘首采取整體塢式結構，在有限元仿真模擬過程中，需要按照實際情況中的底板預留寬縫的分層澆筑方式進行澆筑。在有限元分析過程中，不僅要考慮底板與地基巖層的溫度傳遞，還要考慮底板邊界與外界空氣的對流。選取的模型底部長20m，寬17.50m，高7.50m，整個計算過程中需要用到第2類，第3類和第4類邊界條件[2]，結構模型相對簡單，實現這一過程需要用到ANSYS軟件的圖形用戶操作系統，以及簡單的APDL程序設計軟件。

在選取有限元計算區域時，要與船閘所處位置的地質、地形條件和其結構特點相結合，具體選定的計算范圍如下：選取底板中間20m段作為溫度場分析的主體；基巖0～30m深作為原始地基層，基巖的橫向取沿垂直閘首方向朝兩側延伸30m作為橫向邊界，上邊界選取實際結構。

在ANSYS結構分析中，此次分析采用可模擬熱傳導功能的Solid70單元，該單元擁有8個節點和對應的8個溫度自由度，且具有三向傳導能力，能較好地模擬熱量勻速傳遞的過程[3]。Solid70單元具有“單元生死”的功能，可按施工澆筑進度分別激活各層混凝土，然后采用DO循環語句控制、施加各層混凝土水化熱和對流邊界條件，仿真實際的澆筑情況。模型建立后采用映射網格劃分，單元變長選取0.50m，便于與實際的儀器監測結果進行對比(有限元離散模型如圖3所示)，得出的節點數為79498。

圖3 有限元離散模型

2.4 參數選取

2.4.1 環境溫度

根據工程現場的施工情況，針對施工期的氣象要素，提取所需要的數值。經過整理，定義有限元分析中環境溫度情況如下：第一層澆筑空氣溫度為33℃，第二層為27℃，第三層為34℃，第四層為29℃。在分層澆筑的溫度場分析中，我們需要對每一層的混凝土的側面及頂面施加外部環境溫度邊界條件。在下一層澆筑施工時，需將上一層的混凝土頂面溫度荷載去除，并重新賦予導熱系數，以此類推，直到四層混凝土澆筑完成。

2.4.2 混凝土的熱力學參數

在計算過程中，水泥的水化熱作為最主要的溫度荷載施加在已激活的各個單元的節點上面。計算時，采用朱伯芳院士的負荷指數式[4]來計算水泥水化熱，其表達式為：

Q(t)=Q0(1-e-atb)

(1)

式中Q(t)——混凝土水化熱,J/g；

Q0——最終的水化熱,J/g;

a，b——系數。

Q0和a，b數值根據現場施工混凝土配合比試驗確定，按下表2取之計算：

表2 水泥水化熱常數

在ANSYS有限元熱分析中，水泥水化熱不能被簡單地當作邊界條件直接施加到模型上，而是需要通過ANSYS中的生熱率HGEN來施加。生熱率為水化熱產生熱量對時間的導數，表達式為：

HGEN=WCdQ(t)/dt

(2)

式中HGEN——混凝土水化生熱速率，W/m3；

WC——單位體積混凝土水泥用量，kg/m3。

2.4.3 其他參數

底板混凝土的施工日期集中在7月份，持續約20天左右，正值高溫季節。施工單位為了有效地降溫，在施工過程中采取了一系列的降溫措施，在混凝土拌和過程中對拌和用水進行制冷，對所有涉及混凝土拌和的設施及運輸裝置搭蓋遮陽棚，并配備冷水噴霧系統。同時對混凝土的配比進行了優化，在試驗室配比過程中嚴格控制各種膠凝材料的進倉溫度。經監測，混凝土的平均澆筑溫度為32℃。

施工完成后，對混凝土表面采用土工布覆蓋澆水養護，混凝土表面保溫層的傳熱系數可由下式計算：

β=1/[∑δi/λi+1/βq]

(3)

式中β——固體表面的放熱系數,W/(m2·k);

δi——模板及各種保溫材料的厚度,m;

λi——模板及各種保溫材料的導熱系數,

W/(m·k);

βq——固體在空氣中的放熱系數, 可取23,

W/(m2·k)。

在實際施工現場，底板混凝土上方采用了一層土工布和一層塑料薄膜，總厚度為5mm，由公式計算可得β=320kJ/(m2·K)，泡沫板的厚度為1.5cm，計算得β=183kJ/(m2·K)。

計算模型中船閘底板混凝土材料和周圍巖土體的其他參數見表3：

表3 有限元模型計算參數

3 計算結果分析

3.1 數值計算結果與現場監測成果分析

每層混凝土倉面布置35支溫度計，第一層的埋設高程為7.40m，第二層為9.40m，第三層為10.90m，第四層為14m。提取每天平均溫度值與數值分析的結果進行對比。通過ANSYS的后處理，提取理想的數值分析結果，為了能較好地反映出大體積混凝土內部的溫度變化，在模型分析中，對底板澆筑層的監測點截面進行切分，輸出混凝土內部測點上的溫度時間變化曲線。

從圖4第一層底板上游面T1～T7號溫度計溫度過程變化曲線圖可知，混凝土澆筑前期，溫度有一個小的下降，隨后會逐步加快上升，約2～3天后到達峰值，之后溫度開始下降，約4～5天左右達到一個較低值并平穩變化。外界環境的溫度在此期間對結構內部的溫度變化不顯著，在此監測階段水泥水化熱的影響是混凝土內部溫度變化的主因。在T4溫度計處在最大值35.5℃時，T4和T7的溫差較大，為4.50攝氏度。從圖5第一層底板中部T15～T21號溫度計溫度過程變化曲線圖可知，靠外部的4只溫度計的溫度變化曲線與圖3相同，在3～4天左右到達峰值，內部的3支溫度計在5～6天左右達到峰值，此時混凝土結構內外部產生較大溫差，最大值達到7℃，發生在第7天。

圖4 第一層底板上游面T1～T7號溫度計溫度過程變化曲線圖

圖5 第一層底板中部T15～21號溫度計溫度過程變化曲線圖

圖6 溫度計T18與數值分析結果對比

從圖6溫度計T18與數值分析結果對比圖可知，數值分析的結果與實測結果變化趨勢相同，計算結果相比實測值略大，原因是數值計算考慮到的邊界條件比實際情況少，使得結果偏大，最大誤差在6.20%，最小誤差在1.20%。數值分析可以反映出實測結果值，最后根據數值分析來優化分層澆注方案。

3.2 分層澆注方案的優化

將原來四層澆筑方案進行優化，一共分為5層進行澆筑，將原來3.10m一層的大厚度澆筑層進行簡化。第一層層高2m，第二層1.50m，第三層1.50m，第四層2m，第五層1.50m。經過ANSYS軟件分析，得出優化澆筑方案的溫度分布云圖，將其與原澆筑方案進行對比。

由圖7底板澆筑第九天的溫度分布云圖和優化方案的對比圖中可知，我們將分層方案進行優化之后，同樣的澆筑時間，原來的最高溫度從56.32℃下降到51.89℃，下降了4.43℃，有效地降低了澆筑中期混凝土水化熱升溫。

圖7 底板澆筑第9天溫度分布云圖和優化方案對比

由圖8混凝土澆筑第16天的溫度分布云圖和優化方案的對比圖可知，在底板澆筑完成之后，混凝土的最高溫度與優化方案的最高溫度基本一致，這表明：結構整體在同樣的澆筑時間內，混凝土的水化升溫基本相同，不會相差太大。如果要減小底板整體澆筑完成后的溫度，可以采取延長每層澆筑施工間隙的方案。

圖8 混凝土澆筑第16天溫度分布云圖和優化方案對比

4 結 論

通過有限元軟件分析，和現場的實際監測結果對比發現，船閘大體積混凝土澆筑溫度的產生，與結構體積和分層厚度有直接關系。每層澆筑完成后，前期會由于水泥水化熱的產生，升溫較快，底板結構表層的混凝土溫度在1～3天達到峰值，結構內部會在3～8天達到峰值，且結構內部的混凝土溫度最大值一般大于表層的溫度最大值。

由于分層厚度不同，導致每層的混凝土最大值也有差異，從有限元分析中可以看出，厚度越大，混凝土內部溫度的溫升也越大。其中，澆筑層厚最大的第三層結構厚度為3.10m，該倉澆筑的混凝土內部溫度均超過50℃，最大達到54.80℃。

大體積混凝土結構表層和內部的溫升和溫降速率有所不同，內部溫升會比表層較慢，且最終達到的最大溫度較表層要高，同樣，內部的降溫速率也略小于表層混凝土的降溫速率，混凝土內部和表面溫差的最大值基本發生在此階段。

參考文獻

[1] 陳應波,李秀波,張雄.大體積混凝土澆筑溫度場的仿真分析[J].華中科技大學學報,2004(2)：37-39.

[2] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社，1999.

[3] J.C.Wang,P.Y.Yan.Influence of initial casting temperature and dosage of fly ash on hydration heat evolutionof concrete under adiabatic condition[J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2006(3):755-760.

[4] 朱伯芳.考慮溫度影響的混凝土絕熱溫升表達式[J].水利發電學報，2003(2):69-73.

[5] 李甜甜，唐興榮.大體積混凝土水化效應的有限元分析.淮海工學院學報，2014(3):54-59.