基于ANSYS 仿真的大體積混凝土溫控方案確定研究

甘 磊，吳金永

（河南省水利第二工程局集團有限公司，河南 鄭州 450016）

0 引 言

大體積混凝土是現代工程中最為常見的結構形式。由于大體積混凝土澆筑尺寸大、導熱性能差等特點，導致其在澆筑養護過程中容易產生較大的溫度應力，一旦溫度應力超出混凝土的抗拉強度，會產生溫度裂縫，影響安全使用[1-3]。

對于大體積混凝土施工，需要制定科學合理的溫控方案和溫控措施，但現有規范僅給出指導性意見，不能對溫控方案的確定提供有效的科學指導。施工人員在制定溫控方案時，多根據施工經驗，無法做到方案優化[4-5]。本文擬采用仿真技術，利用ANSYS 有限元分析工具進行大體積混凝土溫控仿真分析，通過對工程實例進行方案優化，提高大體積混凝土溫控施工的科學性。

1 實例選擇

泵站是常見的水利工程形式，本文選擇的工程實例為河南省某加壓泵站的泵房底板施工工程。泵站與水庫連接，用于加壓供水，設計流量19 m3/s，裝機數量為4 臺，單機裝機容量1 600 kW。

根據泵站設計，其主要建筑包括檢修閘、進水池、泵房、管線等工程，其中泵房段底板澆筑尺寸最大，是溫控施工的關鍵部位。底板的澆筑長度87.0 m，寬度29.8 m，非齒槽處的底板最大澆筑厚度4.9 m，齒槽部位最大澆筑厚度4.5 m，底板橫截面見圖1。

圖1 泵房底板橫截面示意圖 單位：m

2 溫控方案初選

泵房底板澆筑尺寸大，屬于大體積混凝土施工范疇，為保證施工質量，需制定科學合理的溫控方案。此次溫控施工除常規的優化混凝土配合比、保溫養護、選擇合理澆筑時間等措施外，提出水管冷卻+跳倉法施工的技術方案。

2.1 冷卻水管布置

在混凝土中布設冷卻水管帶走水化反應產生的熱量，是混凝土溫控施工中常用的溫控措施。根據規范要求結合施工經驗選擇冷卻水管參數性能（見表1）。

表1 冷卻水管參數性能選擇表

2.2 跳倉法施工

跳倉法是降低混凝土溫度應力的有效手段。跳倉法施工時，先將混凝土澆筑面分為若干澆筑倉，通過錯開各澆筑倉的澆筑時間實現“跳倉”。根據泵房底板的澆筑尺寸，可沿長度方向分為左聯、右聯和中聯，每聯的澆筑長度為29.0 m。

2.3 初選溫控方案

在確定冷卻水管+跳倉法施工的基礎上初選溫控方案（見表2）。

表2 初選溫控方案表

3 仿真關鍵技術

3.1 仿真工具選擇

采用國際流行的大型有限元分析軟件ANSYS作為分析工具，可以實現多場耦合計算分析，適用于大體積混凝土溫度場、應力場的聯合求解。選擇計算單元時，熱單元選擇SOLID70，在進行溫度場和應力場耦合計算時，將該單元轉換為SOLID45[6-7]。

采用ANSYS 建模，模擬泵房底板澆筑的單元劃分見圖2。

圖2 泵房底板有限元結構圖

3.2 冷卻水管仿真技術

ANSYS 提供線單元結構。線單元可以較好地實現對冷卻水管的模擬，通過線單元與體單元的有效耦合，模擬冷卻水管與混凝土的熱交互。冷卻水管的有限元結構見圖3。

圖3 冷卻水管有限元結構圖

3.3 跳倉法仿真技術

ANSYS 分析工具中提供“單元生死”功能：“生”表示該單元處于存在狀態，“死”表示該單元處于消失狀態。利用“單元生死”可以模擬混凝土跳倉法施工。具體實現過程中，先建立泵房底板的所有結構模型，并將所有單元置于“死”狀態，當澆筑至某塊混凝土時，將該塊混凝土的單元激活即可模擬跳倉法施工。

4 溫控方案優化

按照各溫控方案的參數，依次對溫控方案1～6進行仿真分析，得出溫度場和應力場的變化規律。以方案1 為例，對其施工澆筑過程進行溫控仿真分析。

4.1 溫度場仿真分析

針對跳倉法確定各塊澆筑時間，分別模擬各聯的澆筑過程，得出右聯下層、左聯上層、中聯下層和中聯上層澆筑10 d 后的混凝土溫度分布（見圖4）。

圖4 混凝土溫度變化云圖

4.2 應力場仿真分析

將溫度場耦合至應力場，分別模擬各聯的澆筑過程，得出右聯下層、左聯上層、中聯下層和中聯上層澆筑10 d 后的混凝土溫度應力分布（見圖5）。

圖5 混凝土溫度應力變化云圖

經過對方案1 進行溫控仿真分析，其最不利工況位置位于中聯下層澆筑時段，最大溫度拉應力為1.12 MPa，安全系數為1.77。

4.3 溫控方案優化

依次對溫控方案1～6 進行仿真計算，得出其最不利工況位置、最大溫度拉應力和對應的安全系數及最大溫度拉應力的出現時間，仿真結果見表3。

表3 不同方案的溫控仿真結果表

通過上述仿真分析可知，方案1～3 的最不利工況均出現在中聯下層位于齒槽上方的邊界中心處，最大溫度拉應力出現時間為中聯下層澆筑后9 d 左右。其原因為：齒槽處澆筑厚度較大，為4.5 m，該位置距離基礎約束較遠，已經澆筑完成的左聯下層和右聯下層對中聯下層混凝土產生約束，上述約束疊加內外溫差，造成中聯下層位于齒槽上方的邊界中心處在澆筑后9 d 左右出現最大溫度拉應力。方案4～6 的最不利工況出現在中聯上層遠離齒槽的邊角處，最大溫度拉應力出現時間為中聯上層澆筑后10 d 左右，其原因為：中聯上層的澆筑厚度較大，為1.9 m，考慮下層混凝土充分散熱，該層不設置冷卻水管，從而在中聯上層形成較大內外溫差；齒槽對中聯上層約束弱，中聯上層主要受左聯上層、右聯上層以及中聯中層混凝土的約束，中聯上層遠離齒槽的邊角處遠離齒槽約束，沒有齒槽混凝土的熱量輸入，導致中聯上層遠離齒槽的邊角處在澆筑后10 d 左右出現最大溫度拉應力。以方案1和方案4 為例，其最大溫度拉應力出現時刻、出現位置的溫度應力云見圖6。

圖6 溫度應力云圖

通過ANAYS 仿真分析，方案1～6 均可以保證足夠的安全系數，但是2 層澆筑+3 層水管的澆筑方案（方案1～3）溫度拉應力更小。相比之下，即便采用2 層澆筑，如果減少水管，仍會導致溫度拉應力增加，這主要是由于水管的散熱作用強于分層澆筑的散熱作用。布置水管后，水管在初期帶走熱量，可以遏制混凝土內部溫度升高。分2 層澆筑時，雖然也布置水管，但上層澆筑厚度較大，導致其最大溫度拉應力有一定的提升。

通過方案對比，最終確定方案1 為最優方案，即分2 層2 塊澆筑。其中每塊的下層澆筑3.0 m，布設2 層水管，每塊的上層澆筑1.9 m，布設1 層水管，水管間距0.8 m，通水流量為20 L/min。跳倉法澆筑順序依次為：左聯底板下層—右聯底板下層—左聯底板上層—右聯底板上層—中聯底板下層—中聯底板上層。

5 結 論

本文對泵房底板的大體積混凝土溫控施工方案的優化、確定進行研究，得到主要結論如下：

1）針對實例工程初選6 組溫控施工方案，利用ANSYS 有限元仿真工具實現不同溫控施工方案的溫度場和應力場仿真模擬，得出其最不利工況、最大溫度應力、安全系數及出現時間，結合工程的溫控施工要求，選出最優的一組溫控方案。

2）針對冷卻水管+跳倉法的溫控施工方案，采用ANSYS 軟件中的線單元模擬冷卻水管、“單元生死”模擬跳倉法施工技術，可以較好地實現溫控施工過程的溫度場和應力場仿真計算。