船閘底板大體積混凝土溫度場仿真分析

(1.湖南水利水電工程監(jiān)理承包總公司，湖南 長沙 410007；2.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410131；3.長沙市湘江綜合樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410200)

在水庫大壩、電站廠房、船閘等水工建筑物的建設(shè)時，大體積混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑過程中，由于體積較大，導(dǎo)熱系數(shù)偏低，會中產(chǎn)生大量的水化熱，容易產(chǎn)生溫度裂縫。資料顯示：大體積混凝土結(jié)構(gòu)工程，由溫度引起的裂縫約占12.3%，世界各國已建成的混凝土大壩絕大多數(shù)存在溫度裂縫，在已知的破壞較嚴重的243座混凝土大壩中，由于溫度問題產(chǎn)生裂縫的有30座[1]。船閘底板是一種典型的準大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在其分層澆筑的過程中，普遍存在由于溫度控制不當(dāng)引起的裂縫。本文結(jié)合湘江長沙綜合樞紐船閘底板混凝土工程，利用有限元分析軟件對底板大體積混凝土結(jié)構(gòu)進行施工過程的溫度場分析，并與現(xiàn)場溫度監(jiān)測結(jié)果進行對比，驗證仿真分析的可行性，進一步優(yōu)化混凝土澆筑工藝和控制措施，實現(xiàn)大體積混凝土溫度控制預(yù)期效果。

1 工程概況

湘江長沙綜合樞紐船閘位于湘江蔡家洲河段左汊，為雙線船閘，船閘等級為2000t，單線船閘的有效尺寸為280m×34m×4.50m(長×寬×門檻水深)，設(shè)計年通過能力9400萬噸。

為及時、全面、準確地掌握混凝土施工過程內(nèi)部的溫度變化情況，通過分析溫度應(yīng)力對裂縫產(chǎn)生的影響程度，從而驗證原有的溫度控制措施的有效性，并根據(jù)實際情況進一步完善溫控措施，對船閘基礎(chǔ)底板混凝土施工進行全過程溫升監(jiān)測，取得了豐富的監(jiān)測成果資料。

2 非穩(wěn)定溫度場仿真

2.1 混凝土分層澆筑情況

船閘閘首底板混凝土澆筑分四層澆筑，澆筑厚度按照第一層2m，第二層1.50m，第三層3.10m，第四層0.90m方案，避開側(cè)邊預(yù)留寬縫的影響，每層澆筑的時間間隔按照澆筑厚度確定，分別為3天、3天、7天、3天，混凝土澆筑的基本情況如圖1所示。

圖1 混凝土澆筑分層

根據(jù)實際的分層澆筑情況，選取計算模型。由于長沙樞紐船閘閘首采用的是整體塢式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用底板預(yù)留寬縫的施工方法，在底板上預(yù)留兩條1.50m寬的寬縫，使原來62m寬的底板分為3段，中間段長為20m，兩側(cè)段長為19.50m。本次仿真分析選取下閘首底板中間段結(jié)構(gòu)(具體有限元模型如圖2所示)?；炷练搅考s2625m3，采用C25混凝土(混凝土配合比見表1)。

水/kg水泥/kg摻合料粉煤灰/kg礦粉/kg砂/kg卵石/kg20～40外加劑/kg水灰比強度等級1541801077280211422.860.43C25

2.2 監(jiān)測儀器的埋設(shè)

根據(jù)《湘江長沙綜合樞紐工程船閘大體積混凝土溫度監(jiān)測方案》施工，共布置溫度計175支，分5層布置，每層35支，埋設(shè)于混凝土層面，埋設(shè)位置誤差控制在5cm以內(nèi)。

2.3 有限元模型建立

閘首采取整體塢式結(jié)構(gòu)，在有限元仿真模擬過程中，需要按照實際情況中的底板預(yù)留寬縫的分層澆筑方式進行澆筑。在有限元分析過程中，不僅要考慮底板與地基巖層的溫度傳遞，還要考慮底板邊界與外界空氣的對流。選取的模型底部長20m，寬17.50m，高7.50m，整個計算過程中需要用到第2類，第3類和第4類邊界條件[2]，結(jié)構(gòu)模型相對簡單，實現(xiàn)這一過程需要用到ANSYS軟件的圖形用戶操作系統(tǒng)，以及簡單的APDL程序設(shè)計軟件。

在選取有限元計算區(qū)域時，要與船閘所處位置的地質(zhì)、地形條件和其結(jié)構(gòu)特點相結(jié)合，具體選定的計算范圍如下：選取底板中間20m段作為溫度場分析的主體；基巖0～30m深作為原始地基層，基巖的橫向取沿垂直閘首方向朝兩側(cè)延伸30m作為橫向邊界，上邊界選取實際結(jié)構(gòu)。

在ANSYS結(jié)構(gòu)分析中，此次分析采用可模擬熱傳導(dǎo)功能的Solid70單元，該單元擁有8個節(jié)點和對應(yīng)的8個溫度自由度，且具有三向傳導(dǎo)能力，能較好地模擬熱量勻速傳遞的過程[3]。Solid70單元具有“單元生死”的功能，可按施工澆筑進度分別激活各層混凝土，然后采用DO循環(huán)語句控制、施加各層混凝土水化熱和對流邊界條件，仿真實際的澆筑情況。模型建立后采用映射網(wǎng)格劃分，單元變長選取0.50m，便于與實際的儀器監(jiān)測結(jié)果進行對比(有限元離散模型如圖3所示)，得出的節(jié)點數(shù)為79498。

圖3 有限元離散模型

2.4 參數(shù)選取

2.4.1 環(huán)境溫度

根據(jù)工程現(xiàn)場的施工情況，針對施工期的氣象要素，提取所需要的數(shù)值。經(jīng)過整理，定義有限元分析中環(huán)境溫度情況如下：第一層澆筑空氣溫度為33℃，第二層為27℃，第三層為34℃，第四層為29℃。在分層澆筑的溫度場分析中，我們需要對每一層的混凝土的側(cè)面及頂面施加外部環(huán)境溫度邊界條件。在下一層澆筑施工時，需將上一層的混凝土頂面溫度荷載去除，并重新賦予導(dǎo)熱系數(shù)，以此類推，直到四層混凝土澆筑完成。

2.4.2 混凝土的熱力學(xué)參數(shù)

在計算過程中，水泥的水化熱作為最主要的溫度荷載施加在已激活的各個單元的節(jié)點上面。計算時，采用朱伯芳院士的負荷指數(shù)式[4]來計算水泥水化熱，其表達式為：

Q(t)=Q0(1-e-atb)

(1)

式中Q(t)——混凝土水化熱,J/g；

Q0——最終的水化熱,J/g;

a，b——系數(shù)。

Q0和a，b數(shù)值根據(jù)現(xiàn)場施工混凝土配合比試驗確定，按下表2取之計算：

表2 水泥水化熱常數(shù)

在ANSYS有限元熱分析中，水泥水化熱不能被簡單地當(dāng)作邊界條件直接施加到模型上，而是需要通過ANSYS中的生熱率HGEN來施加。生熱率為水化熱產(chǎn)生熱量對時間的導(dǎo)數(shù)，表達式為：

HGEN=WCdQ(t)/dt

(2)

式中HGEN——混凝土水化生熱速率，W/m3；

WC——單位體積混凝土水泥用量，kg/m3。

2.4.3 其他參數(shù)

底板混凝土的施工日期集中在7月份，持續(xù)約20天左右，正值高溫季節(jié)。施工單位為了有效地降溫，在施工過程中采取了一系列的降溫措施，在混凝土拌和過程中對拌和用水進行制冷，對所有涉及混凝土拌和的設(shè)施及運輸裝置搭蓋遮陽棚，并配備冷水噴霧系統(tǒng)。同時對混凝土的配比進行了優(yōu)化，在試驗室配比過程中嚴格控制各種膠凝材料的進倉溫度。經(jīng)監(jiān)測，混凝土的平均澆筑溫度為32℃。

施工完成后，對混凝土表面采用土工布覆蓋澆水養(yǎng)護，混凝土表面保溫層的傳熱系數(shù)可由下式計算：

β=1/[∑δi/λi+1/βq]

(3)

式中β——固體表面的放熱系數(shù),W/(m2·k);

δi——模板及各種保溫材料的厚度,m;

λi——模板及各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù),

W/(m·k);

βq——固體在空氣中的放熱系數(shù), 可取23,

W/(m2·k)。

在實際施工現(xiàn)場，底板混凝土上方采用了一層土工布和一層塑料薄膜，總厚度為5mm，由公式計算可得β=320kJ/(m2·K)，泡沫板的厚度為1.5cm，計算得β=183kJ/(m2·K)。

計算模型中船閘底板混凝土材料和周圍巖土體的其他參數(shù)見表3：

表3 有限元模型計算參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測成果分析

每層混凝土倉面布置35支溫度計，第一層的埋設(shè)高程為7.40m，第二層為9.40m，第三層為10.90m，第四層為14m。提取每天平均溫度值與數(shù)值分析的結(jié)果進行對比。通過ANSYS的后處理，提取理想的數(shù)值分析結(jié)果，為了能較好地反映出大體積混凝土內(nèi)部的溫度變化，在模型分析中，對底板澆筑層的監(jiān)測點截面進行切分，輸出混凝土內(nèi)部測點上的溫度時間變化曲線。

從圖4第一層底板上游面T1～T7號溫度計溫度過程變化曲線圖可知，混凝土澆筑前期，溫度有一個小的下降，隨后會逐步加快上升，約2～3天后到達峰值，之后溫度開始下降，約4～5天左右達到一個較低值并平穩(wěn)變化。外界環(huán)境的溫度在此期間對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化不顯著，在此監(jiān)測階段水泥水化熱的影響是混凝土內(nèi)部溫度變化的主因。在T4溫度計處在最大值35.5℃時，T4和T7的溫差較大，為4.50攝氏度。從圖5第一層底板中部T15～T21號溫度計溫度過程變化曲線圖可知，靠外部的4只溫度計的溫度變化曲線與圖3相同，在3～4天左右到達峰值，內(nèi)部的3支溫度計在5～6天左右達到峰值，此時混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外部產(chǎn)生較大溫差，最大值達到7℃，發(fā)生在第7天。

圖4 第一層底板上游面T1～T7號溫度計溫度過程變化曲線圖

圖5 第一層底板中部T15～21號溫度計溫度過程變化曲線圖

圖6 溫度計T18與數(shù)值分析結(jié)果對比

從圖6溫度計T18與數(shù)值分析結(jié)果對比圖可知，數(shù)值分析的結(jié)果與實測結(jié)果變化趨勢相同，計算結(jié)果相比實測值略大，原因是數(shù)值計算考慮到的邊界條件比實際情況少，使得結(jié)果偏大，最大誤差在6.20%，最小誤差在1.20%。數(shù)值分析可以反映出實測結(jié)果值，最后根據(jù)數(shù)值分析來優(yōu)化分層澆注方案。

3.2 分層澆注方案的優(yōu)化

將原來四層澆筑方案進行優(yōu)化，一共分為5層進行澆筑，將原來3.10m一層的大厚度澆筑層進行簡化。第一層層高2m，第二層1.50m，第三層1.50m，第四層2m，第五層1.50m。經(jīng)過ANSYS軟件分析，得出優(yōu)化澆筑方案的溫度分布云圖，將其與原澆筑方案進行對比。

由圖7底板澆筑第九天的溫度分布云圖和優(yōu)化方案的對比圖中可知，我們將分層方案進行優(yōu)化之后，同樣的澆筑時間，原來的最高溫度從56.32℃下降到51.89℃，下降了4.43℃，有效地降低了澆筑中期混凝土水化熱升溫。

圖7 底板澆筑第9天溫度分布云圖和優(yōu)化方案對比

由圖8混凝土澆筑第16天的溫度分布云圖和優(yōu)化方案的對比圖可知，在底板澆筑完成之后，混凝土的最高溫度與優(yōu)化方案的最高溫度基本一致，這表明：結(jié)構(gòu)整體在同樣的澆筑時間內(nèi)，混凝土的水化升溫基本相同，不會相差太大。如果要減小底板整體澆筑完成后的溫度，可以采取延長每層澆筑施工間隙的方案。

圖8 混凝土澆筑第16天溫度分布云圖和優(yōu)化方案對比

4 結(jié) 論

通過有限元軟件分析，和現(xiàn)場的實際監(jiān)測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，船閘大體積混凝土澆筑溫度的產(chǎn)生，與結(jié)構(gòu)體積和分層厚度有直接關(guān)系。每層澆筑完成后，前期會由于水泥水化熱的產(chǎn)生，升溫較快，底板結(jié)構(gòu)表層的混凝土溫度在1～3天達到峰值，結(jié)構(gòu)內(nèi)部會在3～8天達到峰值，且結(jié)構(gòu)內(nèi)部的混凝土溫度最大值一般大于表層的溫度最大值。

由于分層厚度不同，導(dǎo)致每層的混凝土最大值也有差異，從有限元分析中可以看出，厚度越大，混凝土內(nèi)部溫度的溫升也越大。其中，澆筑層厚最大的第三層結(jié)構(gòu)厚度為3.10m，該倉澆筑的混凝土內(nèi)部溫度均超過50℃，最大達到54.80℃。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)表層和內(nèi)部的溫升和溫降速率有所不同，內(nèi)部溫升會比表層較慢，且最終達到的最大溫度較表層要高，同樣，內(nèi)部的降溫速率也略小于表層混凝土的降溫速率，混凝土內(nèi)部和表面溫差的最大值基本發(fā)生在此階段。

參考文獻

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[2] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社，1999.

[3] J.C.Wang,P.Y.Yan.Influence of initial casting temperature and dosage of fly ash on hydration heat evolutionof concrete under adiabatic condition[J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry,2006(3):755-760.

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[5] 李甜甜，唐興榮.大體積混凝土水化效應(yīng)的有限元分析.淮海工學(xué)院學(xué)報，2014(3):54-59.