基于ANSYS的大體積混凝土溫控仿真研究

吳繼想 陳海峰

摘 要：對大體積混凝土進行溫度控制，確保溫控效果，是保證大體積混凝土澆筑質量的重要手段。本文針對大體積混凝土制訂的溫控方案，利用ANSYS有限元分析工具進行溫控仿真計算，對其溫控效果進行演算，并對溫控方案的效果進行校核，仿真結果表明，制定的溫控方案可以滿足混凝土的澆筑要求，通過該仿真計算方法，可以對溫控施工進行指導。

關鍵詞：大體積混凝土;溫控方案;ANSYS;仿真

中圖分類號：TU375.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0107-03

Abstract： Temperature control of mass concrete to ensure the effect of temperature control is an important means to ensure the quality of mass concrete pouring.This paper used ANSYS finite element analysis tool to calculate the temperature control simulation for the temperature control plan formulated for mass concrete， calculated its temperature control effect， and checked the effect of the temperature control plan The simulation results show that the temperature control plan formulated can meet the requirements of concrete pouring， and the simulation calculation method can guide the temperature control construction.

Keywords： mass concrete;temperature control program;ANSYS; simulation

大體積混凝土是常見的工程結構形式，由于其澆筑體量較大，混凝土導熱性能較差，導致其在澆筑過程中容易產生較大的溫度應力，一旦溫度應力超過混凝土的抗拉強度，會導致混凝土產生裂縫，影響結構安全使用。因此，對大體積混凝土必須制訂合理可行的溫控方案，以減少其溫度應力[1-2]。

對大體積混凝土進行溫控仿真計算，是確保其溫控效果的重要手段[1，3]?，F有的大體積混凝土溫度控制和計算主要有經驗方式法、差分計算法、有限元計算法等[4-6]，其中經驗公式法主要應用于結構模型簡單的粗略計算，其計算精度較低;差分計算法對于結構形式要求較高，且其溫度場計算較為準確，溫度應力計算復雜，且誤差較大;有限元法可以較好地實現大體積混凝土溫度場和應力場的分析求解，其求解精度較高，且已經開發形成通用的有限元分析軟件，但是其建模過程較為復雜。通過方案比選，本文利用ANSYS有限元分析軟件，對實例工程進行仿真計算，通過仿真結果，對溫控方案進行校核，以驗證是否滿足工程的溫控要求。

1 計算實例

1.1 工程概況

仿真實例選擇河南省東部某加壓泵站。該泵站承擔著向調蓄水庫加壓供水的任務，設計供水流量為22.90 m2/s。泵站最高運行水位為39.95 m，設計水位為39.45 m，最低運行水位為37.25 m，泵站設計裝機6臺（4用2備），水泵揚程為29.14 m。采用水泵機型為GS1400-19/14B，電機YSPKK1000-14，總裝機6×2 240 kW，屬大（2）型Ⅱ等泵站。

該泵站主體工程由進口段、檢修閘、進水池、主廠房、副廠房及廠區、出水管線等部分組成。泵房上部設主廠房，主廠房兩側分別設副廠房和安裝間，檢修閘兩側設門庫，清污閘一側設清污機房。主廠房和安裝間均為一層框架結構，副廠房、清污機房為磚混框架結構;主廠房和安裝間為鋼架屋頂。

進口檢修閘共三聯，兩孔一聯，單孔凈寬9.0 m，閘前設移動式清污機，并在清污機和檢修閘之間設置檢修橋，橋寬5m，檢修閘采用門機啟閉，檢修閘兩側各設一座門庫。檢修閘閘墩頂高程42.30m，閘底板高程34.25m。為減少不均勻沉降，開挖范圍內閘基下采用10%水泥土回填，壓實度不小于0.99?？紤]到檢修閘底板混凝土澆筑體量較大，屬于大體積混凝土，本次溫控仿真選擇其檢修閘底板作為仿真對象。

1.2 混凝土參數

此次澆筑擬采用混凝土等級為C30，水泥標號為P.O42.5，粉煤灰級別為F類Ⅱ級，礦粉規格為S95。混凝土的配比如表1所示。

混凝土邊界與空氣接觸形成熱對流，為第三類邊界條件，與基礎接觸面為第四類邊界條件，由前述的配合比，并根據相應的試驗資料可得混凝土熱學參數如表2所示。

在混凝土澆筑結束后，其表面通過覆蓋保溫材料進行養護，其熱學性質和尺寸與混凝土相差過大，可采用等效放熱系數法進行處理，處理后的[βs]可按式（1）計算：

式中：[β]為保溫層在空氣介質中的放熱系數;[hi]為保溫層厚;[λi]為其導熱系數。根據施工方案，初步擬定其等效放熱系數為386 kJ/（m2·d·℃）。

混凝土的彈性模量是其應力計算的重要參數。在澆筑混凝土后，其彈性模量隨時間的增長而增加，其增長呈現出非線性，可用式（2）表示：

式中：[E（τ）]為混凝土在齡期為[τ]時的彈性模量，MPa;[E0=1.45E28]，[E28]為混凝土在28 d時的彈性模量，N/mm2，本例取3.00×104 N/mm2。

1.3 澆筑參數

檢修閘底板一倉混凝土澆筑尺寸長×寬×高為22 m×15.4 m×3 m?；炷翝仓竟潪?月上旬，為降低混凝土澆筑溫度，采取預冷骨料，冷水拌和，并在運輸過程中采取措施，避免溫度倒灌，擬將澆筑溫度降低為18 ℃。

1.4 溫控措施

對于檢修閘底板的大體積混凝土澆筑，對其采取相應的溫控措施，以減少溫度應力。具體的溫控措施為：①優化配合比，降低水泥用量：對于該大體積混凝土的澆筑，通過試驗確定添加粉煤灰、礦渣粉兩種摻和料，合理降低水泥用量，減少水泥水化熱反應;②采用措施降低澆筑溫度：通過對骨料進行風冷，并添加冷水拌和，降低原材料溫度，在運輸過程中避免熱量倒灌，控制澆筑溫度不高于18 ℃;③合理選擇澆筑時間：考慮到澆筑季節外界溫度較高，充分利用早晚、夜間及陰天氣溫較低的時段澆筑，盡量避免白天高溫時段澆筑混凝土;④合理制定養護措施：由于澆筑季節溫度較高，混凝土外表面采用流水養護，流水溫度控制在16 ℃，并覆蓋一層土工布養護，確定拆模時間為3 d。

2 溫控仿真計算

2.1 ANSYS分析軟件簡介

通用有限元分析軟件可對工程情況進行仿真模擬計算，操作性強，且計算精度可滿足工程需要。ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，是世界范圍內增長最快的計算機輔助工程軟件，能與多數計算機輔助設計軟件接口，實現數據的共享和交換，是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由于ANSYS分析軟件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。

ANSYS軟件基于MOTIF的圖形用戶界面，智能化菜單引導、幫助等，為用戶提供了強大的前后處理功能，直接建模與實體建模相結合，圖形界面交互方式大大地簡化了模型生成，并可通過交互式圖形來驗證模型的幾何形狀、材料及邊界條件;計算結果可以采用多種方式輸出，比如，計算結果排序和檢索、彩色云圖、彩色等值線、梯度顯示、矢量顯示、變形顯示及動畫顯示等。其前后處理功能明顯優越于同類型的軟件[7-8]。

2.2 仿真單元選擇

針對該實例，選用SOLID70六面體8節點等參熱實體單元。SOLID70單元是ANSYS提供的三維熱單元，其有三個方向的熱傳導功能。該單元有8個節點，每個節點都有一個溫度自由度，可用于穩態或瞬態的結構熱分析。計算溫度應力場時，將SOLID70單元轉換為等效結構單元SOLID45單元，SOLID45結構單元對應于SOLID70熱單元。SOLID45單元可用于構造三維固體結構，有8個節點，每個節點都有3個沿[x]、[y]、[z]方向平移的自由度，其具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變功能[7]。

2.3 仿真計算結果

選擇澆筑前7 d作為仿真時段，其7 d后的溫度場和應力場如圖1和圖2所示。

通過對澆筑過程進行仿真模擬可知，混凝土溫度先升高后降低，其溫度最高點出現在混凝土中心點。這主要是由于水泥水化反應在前期較為強烈，其產熱作用遠遠大于混凝土向外的熱擴散，導致混凝土內部溫度急劇升高;后期，隨著水化反應的減緩，混凝土產熱作用弱于散熱作用，混凝土溫度逐步降低。經過仿真計算可知，混凝土中心點最高溫度可達48.6 ℃，其出現時間約為第5 天，此時混凝土表面點（距離表面50 mm）溫度約為26.8 ℃，內外溫差為21.8 ℃，滿足規范要求。

混凝土最大拉應力出現在其表面邊角處，且拉應力出現峰值后逐步降低，這主要是由于：混凝土在澆筑過程中出現內外溫差，造成混凝土內部由于膨脹受到外部混凝土的約束，從而造成內部出現壓應力，而外部出現拉應力，由于邊角處距離基礎約束較遠，基礎約束力較弱，因此容易產生較大的拉應力。經過仿真計算可知，混凝土最大拉應力出現時間約為第6天，其最大拉應力出現在邊角處，最大拉應力值為1.18 MPa，按照混凝土C30的抗拉強度計算，其抗拉安全系數為1.42，滿足規范要求。

3 結論

本文通過對大體積混凝土溫度場和應力場的計算方法進行比選，選擇了精度較高的有限元仿真計算方法，針對具體工程實例的檢修閘底板混凝土澆筑，在確定其混凝土參數、澆筑參數的基礎上，合理確定了其溫度控制方案，并利用ANSYS仿真計算分析軟件進行仿真計算，計算結果表明，該溫控方案下的檢修閘底板澆筑，其溫度變化和應力變化均可以滿足規范要求和混凝土的強度要求。該仿真計算和分析方法也可以為類似大體積混凝土的溫控施工提供參考和指導。

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，2012：45.

[2]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社，1997：23.

[3]鄧旭.大體積混凝土溫度場一維差分算法探討[J].河南科技，2013（8）：157-158.

[4]李輝. 大體積混凝土橋墩水管冷卻溫度場分析與試驗研究[D].碩士學位論文.湖南大學，2007.

[5]王新虎. 大體積混凝土的溫度控制及施工工藝研究[D].碩士學位論文.中國石油大學，2011.

[6]鄧旭. 大體積混凝土溫度及應力控制相關問題研究 [D].碩士學位論文.鄭州大學，2014.

[7]張朝暉，ANSYS12.0熱分析工程應用[M]. 北京：中國鐵道出版社，2010.

[8]張洪才. ANSYS 14.0理論解析與工程應用實例[M].北京：機械工業出版社，2013.