基于ANSYS的大体积混凝土温控仿真研究

吴继想 陈海峰

摘 要：对大体积混凝土进行温度控制，确保温控效果，是保证大体积混凝土浇筑质量的重要手段。本文针对大体积混凝土制订的温控方案，利用ANSYS有限元分析工具进行温控仿真计算，对其温控效果进行演算，并对温控方案的效果进行校核，仿真结果表明，制定的温控方案可以满足混凝土的浇筑要求，通过该仿真计算方法，可以对温控施工进行指导。

关键词：大体积混凝土;温控方案;ANSYS;仿真

中图分类号：TU375.2文献标识码：A文章编号：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

大體积混凝土是常见的工程结构形式，由于其浇筑体量较大，混凝土导热性能较差，导致其在浇筑过程中容易产生较大的温度应力，一旦温度应力超过混凝土的抗拉强度，会导致混凝土产生裂缝，影响结构安全使用。因此，对大体积混凝土必须制订合理可行的温控方案，以减少其温度应力[1-2]。

对大体积混凝土进行温控仿真计算，是确保其温控效果的重要手段[1，3]。现有的大体积混凝土温度控制和计算主要有经验方式法、差分计算法、有限元计算法等[4-6]，其中经验公式法主要应用于结构模型简单的粗略计算，其计算精度较低;差分计算法对于结构形式要求较高，且其温度场计算较为准确，温度应力计算复杂，且误差较大;有限元法可以较好地实现大体积混凝土温度场和应力场的分析求解，其求解精度较高，且已经开发形成通用的有限元分析软件，但是其建模过程较为复杂。通过方案比选，本文利用ANSYS有限元分析软件，对实例工程进行仿真计算，通过仿真结果，对温控方案进行校核，以验证是否满足工程的温控要求。

1 计算实例

1.1 工程概况

仿真实例选择河南省东部某加压泵站。该泵站承担着向调蓄水库加压供水的任务，设计供水流量为22.90 m2/s。泵站最高运行水位为39.95 m，设计水位为39.45 m，最低运行水位为37.25 m，泵站设计装机6台（4用2备），水泵扬程为29.14 m。采用水泵机型为GS1400-19/14B，电机YSPKK1000-14，总装机6×2 240 kW，属大（2）型Ⅱ等泵站。

该泵站主体工程由进口段、检修闸、进水池、主厂房、副厂房及厂区、出水管线等部分组成。泵房上部设主厂房，主厂房两侧分别设副厂房和安装间，检修闸两侧设门库，清污闸一侧设清污机房。主厂房和安装间均为一层框架结构，副厂房、清污机房为砖混框架结构;主厂房和安装间为钢架屋顶。

进口检修闸共三联，两孔一联，单孔净宽9.0 m，闸前设移动式清污机，并在清污机和检修闸之间设置检修桥，桥宽5m，检修闸采用门机启闭，检修闸两侧各设一座门库。检修闸闸墩顶高程42.30m，闸底板高程34.25m。为减少不均匀沉降，开挖范围内闸基下采用10%水泥土回填，压实度不小于0.99。考虑到检修闸底板混凝土浇筑体量较大，属于大体积混凝土，本次温控仿真选择其检修闸底板作为仿真对象。

1.2 混凝土参数

此次浇筑拟采用混凝土等级为C30，水泥标号为P.O42.5，粉煤灰级别为F类Ⅱ级，矿粉规格为S95。混凝土的配比如表1所示。

混凝土边界与空气接触形成热对流，为第三类边界条件，与基础接触面为第四类边界条件，由前述的配合比，并根据相应的试验资料可得混凝土热学参数如表2所示。

在混凝土浇筑结束后，其表面通过覆盖保温材料进行养护，其热学性质和尺寸与混凝土相差过大，可采用等效放热系数法进行处理，处理后的[βs]可按式（1）计算：

式中：[β]为保温层在空气介质中的放热系数;[hi]为保温层厚;[λi]为其导热系数。根据施工方案，初步拟定其等效放热系数为386 kJ/（m2·d·℃）。

混凝土的弹性模量是其应力计算的重要参数。在浇筑混凝土后，其弹性模量随时间的增长而增加，其增长呈现出非线性，可用式（2）表示：

式中：[E（τ）]为混凝土在龄期为[τ]时的弹性模量，MPa;[E0=1.45E28]，[E28]为混凝土在28 d时的弹性模量，N/mm2，本例取3.00×104 N/mm2。

1.3 浇筑参数

检修闸底板一仓混凝土浇筑尺寸长×宽×高为22 m×15.4 m×3 m。混凝土浇筑季节为6月上旬，为降低混凝土浇筑温度，采取预冷骨料，冷水拌和，并在运输过程中采取措施，避免温度倒灌，拟将浇筑温度降低为18 ℃。

1.4 温控措施

对于检修闸底板的大体积混凝土浇筑，对其采取相应的温控措施，以减少温度应力。具体的温控措施为：①优化配合比，降低水泥用量：对于该大体积混凝土的浇筑，通过试验确定添加粉煤灰、矿渣粉两种掺和料，合理降低水泥用量，减少水泥水化热反应;②采用措施降低浇筑温度：通过对骨料进行风冷，并添加冷水拌和，降低原材料温度，在运输过程中避免热量倒灌，控制浇筑温度不高于18 ℃;③合理选择浇筑时间：考虑到浇筑季节外界温度较高，充分利用早晚、夜间及阴天气温较低的时段浇筑，尽量避免白天高温时段浇筑混凝土;④合理制定养护措施：由于浇筑季节温度较高，混凝土外表面采用流水养护，流水温度控制在16 ℃，并覆盖一层土工布养护，确定拆模时间为3 d。

2 温控仿真计算

2.1 ANSYS分析软件简介

通用有限元分析软件可对工程情况进行仿真模拟计算，操作性强，且计算精度可满足工程需要。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程软件，能与多数计算机辅助设计软件接口，实现数据的共享和交换，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由于ANSYS分析软件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體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。

ANSYS软件基于MOTIF的图形用户界面，智能化菜单引导、帮助等，为用户提供了强大的前后处理功能，直接建模与实体建模相结合，图形界面交互方式大大地简化了模型生成，并可通过交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件;计算结果可以采用多种方式输出，比如，计算结果排序和检索、彩色云图、彩色等值线、梯度显示、矢量显示、变形显示及动画显示等。其前后处理功能明显优越于同类型的软件[7-8]。

2.2 仿真单元选择

针对该实例，选用SOLID70六面体8节点等参热实体单元。SOLID70单元是ANSYS提供的三维热单元，其有三个方向的热传导功能。该单元有8个节点，每个节点都有一个温度自由度，可用于稳态或瞬态的结构热分析。计算温度应力场时，将SOLID70单元转换为等效结构单元SOLID45单元，SOLID45结构单元对应于SOLID70热单元。SOLID45单元可用于构造三维固体结构，有8个节点，每个节点都有3个沿[x]、[y]、[z]方向平移的自由度，其具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变功能[7]。

2.3 仿真计算结果

选择浇筑前7 d作为仿真时段，其7 d后的温度场和应力场如图1和图2所示。

通过对浇筑过程进行仿真模拟可知，混凝土温度先升高后降低，其温度最高点出现在混凝土中心点。这主要是由于水泥水化反应在前期较为强烈，其产热作用远远大于混凝土向外的热扩散，导致混凝土内部温度急剧升高;后期，随着水化反应的减缓，混凝土产热作用弱于散热作用，混凝土温度逐步降低。经过仿真计算可知，混凝土中心点最高温度可达48.6 ℃，其出现时间约为第5 天，此时混凝土表面点（距离表面50 mm）温度约为26.8 ℃，内外温差为21.8 ℃，满足规范要求。

混凝土最大拉应力出现在其表面边角处，且拉应力出现峰值后逐步降低，这主要是由于：混凝土在浇筑过程中出现内外温差，造成混凝土内部由于膨胀受到外部混凝土的约束，从而造成内部出现压应力，而外部出现拉应力，由于边角处距离基础约束较远，基础约束力较弱，因此容易产生较大的拉应力。经过仿真计算可知，混凝土最大拉应力出现时间约为第6天，其最大拉应力出现在边角处，最大拉应力值为1.18 MPa，按照混凝土C30的抗拉强度计算，其抗拉安全系数为1.42，满足规范要求。

3 结论

本文通过对大体积混凝土温度场和应力场的计算方法进行比选，选择了精度较高的有限元仿真计算方法，针对具体工程实例的检修闸底板混凝土浇筑，在确定其混凝土参数、浇筑参数的基础上，合理确定了其温度控制方案，并利用ANSYS仿真计算分析软件进行仿真计算，计算结果表明，该温控方案下的检修闸底板浇筑，其温度变化和应力变化均可以满足规范要求和混凝土的强度要求。该仿真计算和分析方法也可以为类似大体积混凝土的温控施工提供参考和指导。

参考文献：

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：水利电力出版社，2012：45.

[2]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997：23.

[3]邓旭.大体积混凝土温度场一维差分算法探讨[J].河南科技，2013（8）：157-158.

[4]李辉. 大体积混凝土桥墩水管冷却温度场分析与试验研究[D].硕士学位论文.湖南大学，2007.

[5]王新虎. 大体积混凝土的温度控制及施工工艺研究[D].硕士学位论文.中国石油大学，2011.

[6]邓旭. 大体积混凝土温度及应力控制相关问题研究 [D].硕士学位论文.郑州大学，2014.

[7]张朝晖，ANSYS12.0热分析工程应用[M]. 北京：中国铁道出版社，2010.

[8]张洪才. ANSYS 14.0理论解析与工程应用实例[M].北京：机械工业出版社，2013.