大型泵站混凝土底板水化热温度场数值模拟研究

王腾焱，马建丰，夏利剑，饶 舜

(1.安徽省水安建设集团股份有限公司综合设计院，安徽 合肥 230022；2.安徽水安建设集团股份有限公司，安徽 合肥 230022)

大体积混凝土结构在水化过程中会产生大量水化热，严重时可使结构发生开裂，大大影响混凝土结构的安全可靠性和使用寿命。近年来，众多专家学者针对这一领域进行深入研究。岳著文、王强、刘伟等[1-3]采用Midas、ABAQUS分析软件对大体积混凝土温度场进行数值模拟，分析了水化热分布规律、结构开裂机理并提出了控制措施。王振宇等[4]通过Midas分析软件模拟冬季低负温条件下大体积混凝土内部温度场，分析了入模温度和表面保温措施对混凝土温度场的影响。张桂芳等[5]采用Midas建立施工阶段仿真模型，对大体积混凝土水化热进行计算分析，制定合适的大体积混凝土表面养护和内部降温措施。本文以引江济淮工程派河口泵站为研究背景，采用ANSYS有限元分析软件建立模型，研究覆盖保温层后大体积混凝土底板内部温度场分布规律，制定出合理的大体积混凝土温控措施。

1 工程背景

派河口泵站布置在派河上游距离入巢湖口2.6 km的转弯处，工程等别为Ⅰ等，为大(1)型泵站，派河口泵站站身部位底板采用整体式钢筋混凝土结构，单块长33 m、宽28.79 m、厚1.5 m，两端设深1.0 m齿墙。

2 数值模拟

2.1 数值模型建立

采用ANSYS中的“生死单元”来模拟混凝土浇筑过程。结构全部采用六面体8节点单元，热分析采用SOLID70单元，结构分析中转换为SOLID45单元。

根据已给工程资料，工程所在地区3月份平均气温约为10℃，混凝土的浇筑温度取为11.8℃。底板采用覆盖保温层来进行表面保温，保温材料为5 cm厚保温棉被，计算参数如表1所列。

表1 计算参数

2.2 温度场数值模拟结果分析

本文通过对混凝土底板保温与不保温2种工况进行数值模拟分析，给出了底板内部温度场分布图如图1、2所示，并将2种工况的模拟数据进行统计汇总，得到28天底板混凝土内部温度-时间曲线，如图3、4所示。

图1 底板浇筑后温度场分布图(表面不保温)

图2 底板浇筑后温度场分布图(表面保温)

图3 底板混凝土温度时间曲线(表面不保温)

图4 底板混凝土温度时间曲线(表面保温)

由图3可知：在浇筑混凝土前3天，混凝土水化热释放速率较大约为5.28℃/天；第5天时达到最高温度，约为29.7℃左右；内外温差约为17℃。由图4可知：在浇筑混凝土前3天，温度升高显著约为5.49℃/天，第7天达到最高温度，约为31.6℃左右，内外温差约为9℃。

对比图3与4可知，混凝土表面覆盖保温材料虽然在一定程度上加快混凝土内部升温速率、提高了内部最高温度，但混凝土里表温差及温差增速显著降低，分别由17℃降低到9℃、4.19℃/天降低到2.59℃/天。此外，覆盖保温材料也降低了混凝土降温速率，降低比例接近20%。

3 结 论

通过研究，得到的结论如下：

(1) 混凝土的水化热。在前3天释放速率较大，因此在低温季节，混凝土浇筑完成后需立即做好外部保温措施。

(2) 裂纹控制。采用表面覆盖保温层的方式能够有效降低混凝土里表温差，减小温度应力，控制裂缝产生。

(3) 保温材料。本文仅采用一种保温材料，材料单一，保温效果无法与其他材料进行对比。建议根据现场实际情况选择保温材料，并针对不同部位采取不同的保温措施，以达到更好保温效果。