第３２卷第５期 ２０１０年５』ｊ 人民黄河 Ｖｏ】．３２．Ｎｏ．５ Ｍａｙ，２０１０ ＹＥＬＬＯＷ ＲＩＶＥＲ 【水利水电工程】 大体积混凝土温度场有限元分析 王军玺 一，王 晖 （１．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州７３００７０；２．河海大学水利水电工程学院，江苏南京２１００９８； ３．维吾尔自治区水利水电建设工程造价管理总站，乌鲁木齐８３００００） 摘要：基于瞬态温度有限元方法，采用大型有限元商业软件ＡＮＳＹＳ模拟大体积混凝土锚碇薄层浇筑动态施工期及运 行期的温度场，对比日照影响、不同气温、不同浇筑温度、不同浇筑间歇期、不同浇筑层厚等情况的仿真计算结果，得出： 浇筑温度对混凝土锚碇施工期温度场的影响比较大；气温周期变化对运行期混凝土温度的影响大于施工期；太阳辐射对 混凝土锚碇的温度场有一定影响；混凝土分层浇筑层间间歇期对混凝土锚碇的温度场影响较大，但最终达到稳定温度的 时间基本不变。 关键词：大体积混凝土；温度场；有限元 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—１３７９．２０１０．０５．０５２ 中图分类号：Ｕ４４８．２５ 混凝土内外温差过大会导致其温度应力超过其抗拉强度 大体积混凝土在施工过程中，表面温度受Ｅｔ照影响将高于 气温，在计算温度场时必须考虑太阳辐射热的影响。工程计算 中第三类边界可以包括辐射热边界。该桥址处年平均风速取 ３．２ ｎｒ／ｓ，日照相当于年平均气温提高９．２０ ｑｃ，气温年变幅提 高３．６Ｏ℃。日照引起气温变化可用余弦函数表示为 △ ＝９．２０十３．６０ｃｏｓ［ （ ＋４９）］ 而产生表而裂缝，表面裂缝有可能发展成为贯穿性裂缝，危及 大体积混凝土结构的安全。笔者以已建某悬索桥混凝土框架 型重力式锚碇锚块为研究对象，根据其分层浇筑、快速施工的 特点，以热传导理论和瞬态温度场三维有限元方法为基础，采 用大型商业有限元软件ＡＮＳＹＳ对其进行了温度场仿真计算。 １计算基本资料 １．１气温 桥址Ⅸ年平均气温为２１．０℃。气温变化可用余弦函数表 示为 ＝１．２混凝土与基岩的热学参数 该锚碇混凝土的试验数据及基岩热学参数见表１…。 混凝土绝热温升采用双曲公式计算 ： （ ）： ｎ＋ ２１．ｏ＋７＿５ｃ０ｓ［ （ ４９）］ 式中： ｒ为混凝土龄期，ｄ；Ｏｏ为ｒ— 时的最终水化热绝热温 升，℃；０（ ）为龄期为７＿时的绝热温升，℃；ｎ为常数，取１．０６８。 式中：ｔ为距离开始施工的时间，ｄ。 表１ 混凝土及基岩的热学参数 第二类边界条件为 ２温度场有限元计算理论基础 一 一 ：，（八 ） ） 由热传导理论，考虑三维不稳定温度场，在区域 内 应满 足拉普拉斯方程 ： 第三类边界条件为 Ａ ａＴ一磐＋ ＋ ＋ （ 一 ）：０ ａｘｚ ａ ａＺＬ Ｏｌ ａｆ ａｆ‘ 初始条件为 Ｔ（ ，Ｙ， ，０）＝ （ ，Ｙ，ｚ） ｄ ：卢（Ｔ— ） 式中： 为温度； 为绝热温升；ＪＢ为表面放热系数；Ａ为导热系 收稿日期：２００９—０６－０２ 第一类边界条件为 （ｒ）＝＿厂（ ） ．作者简介：王军玺（１９７６一），男，甘肃秦安人，讲师，博士，研究方向为水工结构 现代设计、分析理论及方法。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｊｕｎｘｉ０８０１０１＠１２６ ｃｏｍ １】４・ 人民黄河数；ａ为导温系数；Ｔａ为气温。 ２０１０年第５期 案２浇筑温度相差１０．０℃，其施工期各时刻最高温度差值随 着时间的推移逐渐变大，最大相差９．９２℃，运行期各时刻最高 温度差值随着时间的推移逐渐变小。 表２ ５种计算方案 根据变分原理，这个问题等价于下述泛函的极值问题： ，（ ）＝ ｛÷ Ｏ以Ｔ） ＋（ ） ＋（警 —ｉ （ ｏ ａ一 ），ｒ｝ ｄｙ出＋ ÷ 一 采用中点差分隐式解法得： （肌 ）Ｔｎ Ｒ ＂ －０ 式中：日为热传导矩阵； 为热容量矩阵； ＋ 为节点温度向量； Ｆ 为节点的外部热向量；△ 为时间步长。 、Ｆ 、Ｆ 是已知的，上式是关于 ＋。的线性方程组，可 解得各节点在．ｒ＝ 时的温度 。 ３计算模型及计算条件 ３．１三维有限元模型 为了减小有限元计算时边界条件引起的误差，截取了较大 的地基计算范围：纵向从混凝土锚块向左、向右各取２倍锚块 长，为６４ ＩＴＩ；横向从混凝土锚块向前取２倍锚块宽，为２５ ＩＴＩ；深 度方向从建基面垂直向下取２倍锚块高，为７５ ｍ。 采用ＳＯＬＩＤ７０六面体８节点等参热单元，每个节点只有一 个温度自由度，运用此单元建立实体模型进行瞬态热分析。为 了保证模拟的精确性，在划分有限元网格时，沿锚碇高度方向 （竖向）划分得比较密，每一浇筑层划分为２层单元。网格划分 完毕后，整个模型的单元数为１３ ８２４（其中基础部位为６ ７１９个 单元），节点数为１６ ８６３。 ３．２计算方法 大体积混凝土的分层浇筑是一个动态过程，分析中对于浇 筑单元采用单元生死功能进行处理。边界上存在空气和混凝 土的热对流，属于热分析中的第三类边界条件，对流边界条件 可以作为面荷载施加于实体模型的表面来计算固体和气体间 的热交换，但当上层混凝土单元被激活时，下层混凝土单元的 顶部热边界消失。因此，当激活上层混凝土单元时，应当删除 下层单元顶部的对流边界条件。在ＡＮＳＹＳ软件中，混凝土的 绝热温升通过生热率来实现。在施工过程中混凝土内部生热 率及外界气温是随时间变化的参数，为更好地模拟这种变化， 采用了ＡＮＳＹＳ软件中的函数功能和表格施加荷载技术 Ｊ。 ３．３计算方案的选择 计算中考虑混凝土水化生热、外界气温的变化、太阳辐射、 不同浇筑间歇期、不同浇筑温度、不同分层厚度等因素，合理选 取荷载步长，具体方案见表２。 ４计算结果分析 经过仿真计算得到了各方案温度分布等值线及典型点温 度变化曲线。对仿真计算结果分析如下。 ４．１浇筑温度影响分析 （１）浇筑温度对混凝土锚碇施工期温度场影响比较大，浇 筑温度越高，锚碇各时刻相应的最高温度也越高。方案１与方 注： ＝（２￣／３６５）（ｆ＋４９） （２）混凝土水化速度与浇筑温度有关，方案１中最高温度 出现时间比方案２中最高温度出现时间晚４ ｄ。这说明混凝土 水化速度随浇筑温度变化，而混凝土强度的变化和水化放热基 本同步。因此，控制浇筑温度对降低施工期温度场最高温度有 很大作用。 ４．２外界环境温度影响分析 （１）外界环境温度对混凝土温度的影响。同一浇筑层、同 一高度的点其最高温度从内到外逐渐变低；同一浇筑层内部 点、顶部点、侧边上的点最高温度依次变低；上部混凝土浇筑层 水平尺寸较小，其最高温度较下部浇筑层最高温度低；降温速 率由夕 至０内变，Ｊ、。 （２）外界环境温度的周期变化对混凝土温度的影响。环境 温度的年周期变化对混凝土锚碇施工期温度场的影响不大，最 高温度相差很小；在运行期考虑环境温度周期变化的方案３降 温速度较快，外部节点温度基本随环境温度同周期波动，且步 调基本一致，变化幅度较大；内部节点距离表面越远波动幅度 越小，并且在时间上滞后；降温速率由外到内变小。 因此，如果没有采取相应的温控措施，在施工期影响混凝 土锚碇温度的主要因素为环境温度与混凝土水化热，而在运行 期影响锚碇温度的主要因素为环境温度。 ４．３太阳辐射影响分析 太阳辐射对混凝土锚碇的温度场有一定影响，计算结果表 明混凝土锚碇内部最高温度各时刻最大相差４．０ ，可见太阳 辐射对锚碇施工期温度场的影响较大。在实际工程中，太阳辐 射还使浇筑层表面温度上升较高，并使之水分蒸发、干缩，对锚 碇产生不良影响。因此，如果白天浇筑混凝土应采取一定的措 施来减少太阳辐射的影响。 ４．４分层浇筑层间间歇期影响分析 混凝土分层浇筑层间间歇期对混凝土锚碇的温度场有比 较大的影响。计算结果显示，混凝土锚碇施工期同一浇筑层的 间歇期内最高温度相差３．０℃左右，并且方案５中浇筑层温度 在相邻下一层混凝土施工时明显回升，而在运行期相同时间段 内层间间歇期较长浇筑的混凝土最大温度降幅较大，但方案２ 与方案５最终达到稳定温度的时问基本相等。 ４．５ 不同混凝土浇筑层厚计算结果分析 浇筑层厚度越大，其内部最高温度越高，层厚相差０．５ ｍ 时最高温度相差３．０℃左右。 （下转第１１７页） ・１１５・ ～ 人民黄河时间，ｈ／（ｍ。・ｋｇ）；Ｔ为试验累计时间，ｈ；Ａ为试什受冲磨面积， ｍ ； 为经过 时段冲磨后，试件累计损失的质量，ｋｇ。 表３混凝土２８ ｄ抗冲磨强度 ２０１０年第５期 随着粉煤灰掺量的增加，混凝土抗冲磨强度先升后降，其 原因是粉煤灰可以降低混凝土的绝热温升，它与水泥水化过程 中析出氢氧化钙缓慢进仃“二次反应”，生成水化锅硅酸钙，与 ＊｛页Ｈ，一 水泥浆硬化体晶格坚固地结合起来，改善胶凝材料的界面结 ＝＃ 构，从而提高混凝土的抗冲磨性能。但是，当粉煤灰的掺量超 ｛ 一 ＝皇 过适宜掺鼍时，混凝土的抗压强度降低，抗冲磨强度也会降低。 ＃ 粉煤灰对混凝土的整体强度具有改善作用，早期强度会有所降 ：捧 低，但是后期强度会持续增长，达到甚至超过基准混凝土的强 ：＃ 度，所以粉煤灰混凝土的抗冲磨强度会随着养护龄期的延长而 汁 提高。 ３结表４混凝土６０ ｄ抗冲磨强度 论 辂 ＊ （１）混凝土巾掺加粉煤灰能够改善混凝土的整体强度，提 高抗冲磨强度。当粉煤灰掺量达到５０％时，表现最为明显。 （２）在粉煤灰掺量为４０％～６０％时，混凝土的抗冲磨强度 一 Ｈ 许 大于基准混凝土，可以满足工程应用的需要，实现经济和环保 的工程要求。 （３）在混凝土中大量掺加粉煤灰会大大降低混凝土的早期 强度，需要在混凝土中掺加减水剂和引气剂进行调节，这也是 ｍ 沣 ＊ 大掺量粉煤灰混凝土在工程应用中存在的主要问题。 参考文献： 试验结果表明： （１）在混凝土含气量相等的情况下，当粉煤灰掺量小于 ５０％时，混凝土的水胶比越小、粉煤灰掺量越大，抗冲磨强度越 大；当粉煤灰掺量大于５０％时，混凝土的水胶比越小、粉煤灰掺 ｃ１］尹延国，胡献国，朱元吉水工高强混凝土抗磨耐蚀试验研究［Ｊ］．水利水电 技术，】９９８，１２（２９）：５１—５２ ［２］杨春光，王正中，田江永．水工混凝土抗冲磨性能试验研究［Ｊ］．人民黄河， ２００６．２８（４）：７３—７４． 量越大，抗冲磨强度反而越小。 （２）混凝土的抗冲磨强度随混凝土龄期的延长而增大。 （３）混凝土的抗压强度越大，抗冲磨强度越大。 （４）在混凝土中掺加减水剂和引气剂可以有效提高抗冲磨 强度。 ［３］薛媛，娄宗科粉煤灰混凝土抗冲磨性能试验研究ｌｊ］．人民黄河，２００８，３０ （５）：９４—９５ ［４］ 陈晓波粉煤灰胶凝材料体系混凝ｊ 的应用研究［Ｊ］．浙江建筑，２００９，２６ （８）：６６—６９． ［５］ 王建英．浅谈粉煤灰住高性能混凝土中的应用［Ｊ］．山西建筑，２００３，２９ （１５）：５６． （５）混凝土中粉煤灰的掺量达到５０％时最为适宜。 【责任编辑乔韵青】 ［２］朱伯芳．水：【混凝土结构的温度应力与温度控制［Ｍ］．北京：中国水利水电 ５结语 出版社，２００２ ［３］ 龚曙光．ＡＮＳＹＳ基础应用及范例解析［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３． （１）浇筑温度对混凝土锚碇施工期的温度场影响比较大， 浇筑温度越高，锚碇各时刻的最高温度也越高，控制浇筑温度 ［４］夏雨，王大伟，周月娥，等．大体积混凝土施工期最高温度计算方法研究 ［Ｊ］．人民黄河，２００９，３１（１）：９２—９４ ［５］ 杨秋玲，马可检．大体积混凝土水化热温度场三维有限元分析［Ｊ］哈尔滨 工业大学学报，２００４，３６（２）：２６１～２６３． 对降低施工期最高温度有很大作用。 （２）气温周期变化对运行期混凝土温度的影响大于施工 期。在施工期影响混凝土锚碇温度的主要因素为环境温度与混凝 ［６］ 康迎宾，贾小刚，王亚春代古寺混凝土拱坝温度应力场仿真分析［Ｊ］．人民 黄河，２００８，３０（６）：６９—７Ｏ． ［７］张亮亮．桥墩混凝土水化热温度有限元分析［Ｊ］．重庆大学学报：自然科学 版，２００７，３０（１０）：７３—７６． 土水化热，而在运行期影响锚碇温度的主要因素为环境温度。 （３）太阳辐射对混凝土锚碇的温度场有一定的影响。 （４）混凝土分层浇筑层问间歇期对混凝土锚碇的温度场有 比较大的影响，但最终达到稳定温度的时间基本不变。 ［８］ 李骁春，吴胜兴．基于ＡＮＳＹＳ的混凝土早期徐变应力仿真分析［Ｊ］．系统仿 真学报，２００８，２０（１５）：３９４４—３９４７． ［９］ 夏雨，张仲卿，赵小莲，等．大体积混凝土施工期温度场的随机有限元分析 参考文献： ［１］潘世建，杨盛福厦门海沧大桥建设丛书［Ｍ］．北京：人民交通出版社 ［Ｊ］人民黄河，２００８，３０（５）：９１． 【责任编辑・张华岩】 ｌ１７・
