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力場進行研究，引入外界氣溫函數，并利用ANSYS接口進行二次開發仿真。結果表明，由于恒溫工況下的計算結果忽略了日內氣溫變幅，其最大拉應力出現時刻后推，而且計算結果偏小，不利于進行混凝土的溫控防裂。在實際溫控中，人們應考慮外界氣溫波動的影響，制定合理的溫控措施。

關鍵詞：大體積混凝土;溫度控制;外界氣溫波動;ANSYS

中圖分類號：TU375.2文獻標識碼：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，對其進行溫度控制，以減少其內部溫升和溫度應力，這是大體積混凝土施工技術的關鍵[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，利用ANSYS的二次開發技術，實現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、發電、供水和養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，中墩厚度設計值為2.4 m，邊墩厚度設計值為1.5 m。新建水閘底板采用分層澆筑，澆筑厚度結合溫控要求，與中墩厚度設計值相同，由于混凝土澆筑前期通常會出現混凝土最大拉應力，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 計算參數選擇

施工實際參數匯總如表1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境等復雜因素制約，求大體積混凝土溫度應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力場的耦合問題，從而實現對大體積混凝土澆筑過程的仿真模擬。本文擬采用ANSYS作為溫度場及應力場的分析求解工具。

1.4 計算模型

1.4.1 模型參數選擇。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節點，在[X]、[Y]、[Z]方向均具有熱傳導功能，而且各個節點都帶有一個溫度自由度，便于進行穩態或瞬態的結構熱分析。當進行溫度應力場計算時，可以對SOLID70單元進行等效結構單元的轉換，即將其轉換為構造三維固體結構的SOLID45單元，該單元與SOLID70呈對應關系，同時具有8個節點，各個節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、應力強化、大變形和大應變功能。

2 外界氣溫恒定工況分析

根據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力變化，如圖1、圖2所示。

由圖1可知，混凝土澆筑初期，結構內部水泥發生化學反應，產生熱量，造成其內部溫度升高。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，并受混凝土導熱性能的制約，外界氣溫變化對內部尤其是中心點的溫度影響滯后，因此造成混凝土內外溫度差。

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，內部溫度低，基巖內部不會產生較大的應力，混凝土的底板中通常會產生拉壓應力。

混凝土內部溫度擴散不均勻的內外溫差造成混凝土在其內部產生壓應力，而在表面處產生拉應力，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，混凝土與外界進行頻繁的熱交換，從而使得混凝土表面點溫度產生較大波動，也造成混凝土表面產生最大拉應力。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，這些地方產生了最大拉應力。

經過仿真計算，混凝土澆筑期最大拉應力出現在第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 氣溫函數確定

結合施工期的常年氣溫資料，本研究選擇正弦函數作為其氣溫函數，其函數表達如下[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，結合當地實測數據，取10 ℃。

3.2 工況仿真分析

下面對上述氣溫函數進行ANSYS接口的二次開發，計算其溫度和應力的變化過程。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，其溫度變化波動不明顯。內外溫度差的波動變化也會改變混凝土表面的最大拉應力，如圖4所示。由上述結果可知，在外界氣溫波動的情況下，當混凝土澆筑到第4.5 d左右時，其出現最大拉應力，拉應力最大值達到1.05 MPa左右，較恒溫工況下的拉應力出現時間有所提前，而且應力值有明顯的增加，應力值的提前和增加均不利于大體積混凝土的溫控。

4 結論

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

參考文獻：

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京：水利電力出版社，2012：22-23.

[2]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社，1997：35-36.

[3]鄧旭.大體積混凝土一維差分算法探討[J].河南科技，2013（4）：157-158.

[4]張澤眾，辛全才，張帆.不同溫度下外界風速對大體積混凝土溫度場變化的影響[J].水電能源科學，2015（5）：109-112.

[5]馬旭超.外界環境變化對大體積混凝土承臺內部溫度效應的影響[D].武漢：武漢理工大學，2017：19-20.