外界气温波动对大体积混凝土温控的影响分析
2021-04-21陈云飞史新义
陈云飞 史新义
摘 要：本文针对外界气温变化下的大体积混凝土温度场和应力场进行研究，引入外界气温函数，并利用ANSYS接口进行二次开发仿真。结果表明，由于恒温工况下的计算结果忽略了日内气温变幅，其最大拉应力出现时刻后推，而且计算结果偏小，不利于进行混凝土的温控防裂。在实际温控中，人们应考虑外界气温波动的影响，制定合理的温控措施。
关键词：大体积混凝土;温度控制;外界气温波动;ANSYS
中图分类号：TU375.2文献标识码：A文章编号：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
在大体积混凝土的浇筑施工中，采取工程措施，对其进行温度控制，以减少其内部温升和温度应力，这是大体积混凝土施工技术的关键[1-3]。气温是大体积混凝土温度控制的重要影响因素，一般进行大体积混凝土温控计算时，人们采用全年日平均气温，而且连续几天浇筑时的外界气温往往采用定值，该计算方法简单易行，但是其并未考虑日气温的波动变化，尤其是早晚温差较大的工况，容易造成仿真偏差[4-5]。本文针对气温变化，引入变化函数，利用ANSYS的二次开发技术，实现大体积混凝土外界气温变化下的温控仿真计算，以提升其实际温控效果。
1 案例选择
1.1 工程实例
工程实例选择河南省水利第二工程局参与建设的河南省东部某水库的除险加固工程项目，该水库为具有防洪、灌溉、发电、供水和养殖等多用途的综合性水库，工程等别为一等。在除险加固过程中，计划在原泄洪闸下游新修一座4孔、单孔净宽12 m的水闸，对原闸进行拆除，同时保留原闸的闸墩和闸底，新建闸的堰顶高程保持不变，中墩厚度设计值为2.4 m，边墩厚度设计值为1.5 m。新建水闸底板采用分层浇筑，浇筑厚度结合温控要求，与中墩厚度设计值相同，由于混凝土浇筑前期通常会出现混凝土最大拉应力，因此本研究确定仿真模拟计算时间为混凝土浇筑的前7 d。
1.2 计算参数选择
施工实际参数汇总如表1所示。
混凝土不同龄期时的弹性模量为：
[E（t）=E0（1-e-0.09t）] （1）
式中，[E（t）]为龄期为[t]时混凝土的弹性模量，MPa;[E0]为混凝土28 d龄期时的弹性模量，MPa，取2.8×104 MPa;[t]为混凝土龄期，d。
1.3 分析软件
通常，受大体积混凝土材料特性、施工条件、施工工艺和外界气温环境等复杂因素制约，求大体积混凝土温度应力的解析解存在一定难度，施工中大多采用有限元分析软件进行分析求解。
ANSYS分析软件是世界知名的大型通用有限元软件，其具有强大的多场及多场耦合分析求解功能，因此可以有效解决大体积混凝土温度场与应力场的耦合问题，从而实现对大体积混凝土浇筑过程的仿真模拟。本文拟采用ANSYS作为温度场及应力场的分析求解工具。
1.4 计算模型
1.4.1 模型参数选择。确定计算模型时，本研究选取较大的基岩范围：[X]方向和[Y]方向分别选取混凝土浇筑长度和宽度的2倍，取60 m和28.8 m;选3.2 m作为下层基岩的深度值。
1.4.2 建模关键步骤。选择等参热实体单元，本次取SOLID70三维热单元，该单元为六面体8节点，在[X]、[Y]、[Z]方向均具有热传导功能，而且各个节点都带有一个温度自由度，便于进行稳态或瞬态的结构热分析。当进行温度应力场计算时，可以对SOLID70单元进行等效结构单元的转换，即将其转换为构造三维固体结构的SOLID45單元，该单元与SOLID70呈对应关系，同时具有8个节点，各个节点也都带有三维各方向上平移的自由度，具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变功能。
2 外界气温恒定工况分析
根据施工期的实测温度值，本研究选取多日的平均外界气温（14 ℃左右），模拟计算外界气温在浇筑期间保持恒定不变的工况。其间通过对闸底板混凝土进行ANSYS建模求解，得出其典型点（中心点及表面点）的7 d温度变化和表面点的应力变化，如图1、图2所示。
由图1可知，混凝土浇筑初期，结构内部水泥发生化学反应，产生热量，造成其内部温度升高。同时，在浇筑过程中，混凝土热量不断向基岩和空气扩散。由于混凝土上部和空气接触，其表面散热较快，散热降温效果较好，自混凝土表面向下，混凝土温度值逐渐升高，即混凝土中心点温度值远高于混凝土与空气的接触面，而且表面点与外界空气接触，其温度变化更易受到外界空气的影响，而中心点的温度受外界气温的影响相对较小，并受混凝土导热性能的制约，外界气温变化对内部尤其是中心点的温度影响滞后，因此造成混凝土内外温度差。
在混凝土浇筑过程中，下部的基岩部分自身不会产生热量，基岩的温度变化主要受气上部混凝土的热量传输影响，即基岩上部温度高，内部温度低，基岩内部不会产生较大的应力，混凝土的底板中通常会产生拉压应力。
混凝土内部温度扩散不均匀的内外温差造成混凝土在其内部产生压应力，而在表面处产生拉应力，如图2所示。由于闸底板混凝土的上部和四周是与外界空气直接接触的，混凝土与外界进行频繁的热交换，从而使得混凝土表面点温度产生较大波动，也造成混凝土表面产生最大拉应力。在混凝土的边角点，受自由边界的影响，加上混凝土下部基岩对其的约束较小，这些地方产生了最大拉应力。
经过仿真计算，混凝土浇筑期最大拉应力出现在第5天左右，最大值为0.65 MPa，其浇筑可满足混凝土的防裂要求。
3 外界气温波动工况分析
3.1 气温函数确定
结合施工期的常年气温资料，本研究选择正弦函数作为其气温函数，其函数表达如下[5]：
[T1（t）=T0+Asinπt] （2）
式中，[T0]为气温平均温度，本次仿真取14 ℃;[A]为气温1 d变化值，结合当地实测数据，取10 ℃。
3.2 工况仿真分析
下面对上述气温函数进行ANSYS接口的二次开发，计算其温度和应力的变化过程。典型点（中心点及表面点）的温度变化以及表面点的应力变化如图3、图4所示。
由图3可知，在外界气温的影响下，混凝土表面点温度值变化明显，即呈正弦变化，而中心点距离外界较远，其温度变化波动不明显。内外温度差的波动变化也会改变混凝土表面的最大拉应力，如图4所示。由上述结果可知，在外界气温波动的情况下，当混凝土浇筑到第4.5 d左右时，其出现最大拉应力，拉应力最大值达到1.05 MPa左右，较恒温工况下的拉应力出现时间有所提前，而且应力值有明显的增加，应力值的提前和增加均不利于大体积混凝土的温控。
4 结论
通过上述分析可知，气温为常温情况下的计算结果忽略了日内气温变幅，其最大拉应力出现时刻后推，计算结果偏小，对大体积混凝土的温控防裂产生不利影响。因此，在大体积混凝土施工过程中，必须考慮气温日内的变幅，以便制定相应的温控措施，指导混凝土温控和防裂。
参考文献：
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