趙迪

摘 要 以大型通用有限元軟件ANSYS為平臺(tái)，以某大型拱壩為背景，對(duì)大體積砼結(jié)構(gòu)施工期和運(yùn)行期的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析計(jì)算，并對(duì)其分布以及發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞 大體積砼；溫度場(chǎng)；仿真分析；ANYSYS

中圖分類號(hào)：TU377 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0118-03

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)越來(lái)越趨于大型化，如高層樓房基礎(chǔ)、大型設(shè)備基礎(chǔ)、水利大壩等。大體積砼與其他一般鋼筋砼相比，施工技術(shù)要求高、混凝土量大。且大體積砼產(chǎn)生的大量水化熱不易散發(fā)，在受到內(nèi)外部的約束時(shí)在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用。因此，大體積混凝土溫度場(chǎng)的仿真分析對(duì)大體積混凝土的設(shè)計(jì)和施工有重要意義。

1 工程背景

拱壩最大壩高313 m，壩頂高程1928 m。水庫(kù)正常蓄水位為1925 m，設(shè)計(jì)洪水位為1925 m，相應(yīng)壩下游水位為1714.17 m，死水位為1860 m。壩前淤積高程：1786 m，淤沙浮容重：9.0 kN/m3，內(nèi)摩擦角：15?。

有限元整體計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元整體計(jì)算模型

2 ANSYS熱分析原理

ANSYS是一種融電磁、流體、熱、結(jié)構(gòu)等多種學(xué)科于一體的大型有限元通用商業(yè)軟件，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于水利水電、土木工程、機(jī)械制造等眾多領(lǐng)域。

本文主要采用ANSYS對(duì)大體積砼的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。ANSYS具有熱分析功能模塊，可用于計(jì)算一個(gè)部件或系統(tǒng)的溫度分布以及其他熱物理參數(shù)，如熱梯度、熱通量（熱流密度）等。

3 大體積砼溫度場(chǎng)仿真分析的實(shí)現(xiàn)

大體積砼溫度場(chǎng)仿真分析計(jì)算具有一定的難度和復(fù)雜性，因此為提高計(jì)算效率進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：1）假設(shè)在施工時(shí)新澆混凝土是在瞬間完成的；2）不考慮相變，新澆混凝土在完成的瞬間就是固態(tài)；3）將冷卻水管的降溫作用視作混凝土的吸熱，按 “負(fù)水化熱”處理；4）不考慮混凝土干縮和水滲流的影響。

大體積混凝土溫度場(chǎng)仿真分析的實(shí)現(xiàn)還應(yīng)特別重視以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

3.1 外界氣溫及水化熱的模擬

大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過程熱分析的關(guān)鍵是模擬水泥水化熱產(chǎn)生熱量的過程。一般可將水化熱擬合為雙曲線或指數(shù)型。外界氣溫則可擬合成隨時(shí)間變化的余弦函數(shù)。同時(shí)，在模擬大體積混凝土施工中，將水管冷卻的降溫作用視作混凝土的吸熱，按負(fù)水化熱處理可以得到考慮水管冷卻作用下的水化熱，即：

（1）

水化熱作為體積力施加于混凝土單元上。在模擬過程中，可用函數(shù)編輯器設(shè)定外界氣溫和水化熱擬合的函數(shù)公式，再采用函數(shù)轉(zhuǎn)化工具將函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的表格，然后ANSYS會(huì)自動(dòng)根據(jù)工期在表格參數(shù)矩陣中選擇載荷值施加在相應(yīng)的部位。

3.2 混凝土澆筑和溫度邊界的仿真

模擬混凝土逐層澆筑需采用ANSYS中的單元生死功能。在分析過程中，單元的“死”是通過一個(gè)很小的因子乘以單元?jiǎng)偠?、質(zhì)量等，使單元不對(duì)模型中的其它部分造成任何影響，也不參與熱分析。直到澆筑層到了澆筑的時(shí)間，通過ANSYS程序激活它，使這些單元成為“生”的單元并加載相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的水化熱后參加各種熱分析過程。

同時(shí)，模擬混凝土拱壩的澆筑過程，還應(yīng)先加載相應(yīng)的邊界條件?；A(chǔ)部分按絕對(duì)邊界條件處理。混凝土與水接觸時(shí)，表面溫度等于已知的水溫，邊界為第一類邊界條件。在基巖、混凝土與空氣接觸的表面可認(rèn)為其是大氣溫度邊界條件，為第三類邊界條件，此類邊界條件與氣溫和混凝土表面換熱系數(shù)有關(guān)。這幾類邊界條件都可參考規(guī)范中公式將其擬合成隨日變化的余弦函數(shù)。

4 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

圖2 壩體澆筑到第6層的溫度場(chǎng)云圖

圖3 壩體澆筑到第18層的溫度場(chǎng)云圖

圖4 壩體澆筑完成時(shí)溫度場(chǎng)云圖

圖5 壩體澆筑完成兩年后溫度場(chǎng)云圖

從圖2到圖5可看出，隨著混凝土的澆筑，壩體表面最高溫度不斷上移。這是因?yàn)榛炷羷倽仓r(shí)，水化熱較高，附近溫度較高，但隨著時(shí)間的推移，混凝土外表面與空氣接觸，對(duì)流散熱后，溫度降低，離新澆筑層越遠(yuǎn)的混凝土，對(duì)流散熱時(shí)間越長(zhǎng)，溫度也越低。但是2年之后，外表面溫最高溫度從頂部移到底部，這是因?yàn)閴蔚缀穸茸畲?，也最不容易散熱。此時(shí)混凝土的水化熱已經(jīng)完全釋放，外表面溫度已經(jīng)主要受當(dāng)?shù)貧鉁睾蛶?kù)水溫度變化的影響了。

取壩體第6、18層頂面節(jié)點(diǎn)及壩體內(nèi)部不同高程節(jié)點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線進(jìn)行分析。

圖6 第6層頂面節(jié)點(diǎn)位置圖

圖7 第6層頂面節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)間歷程曲線

圖8 第18層頂面節(jié)點(diǎn)位置圖

圖9 第18層頂面節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)間歷程曲線

圖10 壩體內(nèi)不同高程節(jié)點(diǎn)位置圖

圖11 壩體內(nèi)不同高程節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)間歷程曲線

從圖11中可以看出高程不同的澆筑層溫度隨時(shí)間變化的溫度變化規(guī)律。例如，高程最低的節(jié)點(diǎn)1285的水化熱溫升最低，其它高程節(jié)點(diǎn)溫度升高明顯高于它。這是因?yàn)樵谙惹皾仓幕炷了療岙a(chǎn)生的熱量還沒有完全散去之前，又澆筑新的混凝土上來(lái)，導(dǎo)致熱量聚集從而無(wú)法很快散去，因此，后澆筑的混凝土溫升一般比先澆筑的混凝土溫升高，且溫升幅度與高程成正比。節(jié)點(diǎn)945、605、265的水化熱溫升幅度就證明了這一規(guī)律。

但是從壩體厚度來(lái)說(shuō)，壩體越薄，對(duì)流散熱邊界條件越好，溫度下降越快，受環(huán)境溫度年變幅的影響也更明顯，反之則溫度下降越慢，越不易受環(huán)境溫度年變幅的影響。從圖7、圖9中可看出，對(duì)比第6、18層上、下游面節(jié)點(diǎn)911、1013和231、333的溫度曲線，則可看出上、下游面節(jié)點(diǎn)因位于邊界上，和環(huán)境溫度對(duì)流散熱較快，水化放熱溫度短暫上升后就都迅速下降，其變化分別和水溫、氣溫同步。但231、333位于第18層，壩厚較薄，因此溫度下降得也要快一些，并且受到氣溫年變幅的影響更大，且相位比氣溫變化要滯后一段時(shí)間。第6層945節(jié)點(diǎn)位于壩體中間，水化熱溫升達(dá)到最高后，兩年間緩慢下降后依然還有27.1℃左右，基本上不受環(huán)境溫度年變幅的影響，由此可見大體積混凝土的散熱非常慢。

5 結(jié)論

本文針對(duì)工程實(shí)例，探討了在ANSYS中實(shí)現(xiàn)仿真分析的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)大體積混凝土澆筑時(shí)溫度變化進(jìn)行了仿真分析計(jì)算，分析節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化歷程、分布以及發(fā)展規(guī)律，但考慮計(jì)算設(shè)備和時(shí)間等相關(guān)因素，所以在仿真計(jì)算中，本文對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行了些許簡(jiǎn)化，如混凝土的水化熱和溫度邊界條件、徐變等都只是近似擬合考慮。這可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和真實(shí)結(jié)果有一些誤差，仿真分析計(jì)算也只能在宏觀上仿真，因此，這有待我們進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1]朱伯芳等.大體積混凝土的溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，1999.

[2]李曉軍.基于有限單元法的高拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008.

[3]李曉軍，辛全才.基于ANSYS的高拱壩三維有限元分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2008（1）：91-94.

[4]張應(yīng)遷，張洪才.ANSYS有限元從入門到精通[M].人民郵電出版社，2010.

[5]龔曙光，黃云清.有限元分析與ANSYS APDL 編程與高級(jí)運(yùn)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[6]張朝暉.ANSYS8.0熱分析教程與實(shí)例解析[M].北京：中國(guó)鐵道出版杜，2005.

[7]陳應(yīng)波，李秀才，張雄.大體積混凝土溫度場(chǎng)的仿真分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（城市科學(xué)版），2004，21（2）：37-39.endprint

摘 要 以大型通用有限元軟件ANSYS為平臺(tái)，以某大型拱壩為背景，對(duì)大體積砼結(jié)構(gòu)施工期和運(yùn)行期的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析計(jì)算，并對(duì)其分布以及發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞 大體積砼；溫度場(chǎng)；仿真分析；ANYSYS

中圖分類號(hào)：TU377 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0118-03

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)越來(lái)越趨于大型化，如高層樓房基礎(chǔ)、大型設(shè)備基礎(chǔ)、水利大壩等。大體積砼與其他一般鋼筋砼相比，施工技術(shù)要求高、混凝土量大。且大體積砼產(chǎn)生的大量水化熱不易散發(fā)，在受到內(nèi)外部的約束時(shí)在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用。因此，大體積混凝土溫度場(chǎng)的仿真分析對(duì)大體積混凝土的設(shè)計(jì)和施工有重要意義。

1 工程背景

拱壩最大壩高313 m，壩頂高程1928 m。水庫(kù)正常蓄水位為1925 m，設(shè)計(jì)洪水位為1925 m，相應(yīng)壩下游水位為1714.17 m，死水位為1860 m。壩前淤積高程：1786 m，淤沙浮容重：9.0 kN/m3，內(nèi)摩擦角：15?。

有限元整體計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元整體計(jì)算模型

2 ANSYS熱分析原理

ANSYS是一種融電磁、流體、熱、結(jié)構(gòu)等多種學(xué)科于一體的大型有限元通用商業(yè)軟件，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于水利水電、土木工程、機(jī)械制造等眾多領(lǐng)域。

本文主要采用ANSYS對(duì)大體積砼的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。ANSYS具有熱分析功能模塊，可用于計(jì)算一個(gè)部件或系統(tǒng)的溫度分布以及其他熱物理參數(shù)，如熱梯度、熱通量（熱流密度）等。

3 大體積砼溫度場(chǎng)仿真分析的實(shí)現(xiàn)

大體積砼溫度場(chǎng)仿真分析計(jì)算具有一定的難度和復(fù)雜性，因此為提高計(jì)算效率進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：1）假設(shè)在施工時(shí)新澆混凝土是在瞬間完成的；2）不考慮相變，新澆混凝土在完成的瞬間就是固態(tài)；3）將冷卻水管的降溫作用視作混凝土的吸熱，按 “負(fù)水化熱”處理；4）不考慮混凝土干縮和水滲流的影響。

大體積混凝土溫度場(chǎng)仿真分析的實(shí)現(xiàn)還應(yīng)特別重視以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

3.1 外界氣溫及水化熱的模擬

大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過程熱分析的關(guān)鍵是模擬水泥水化熱產(chǎn)生熱量的過程。一般可將水化熱擬合為雙曲線或指數(shù)型。外界氣溫則可擬合成隨時(shí)間變化的余弦函數(shù)。同時(shí)，在模擬大體積混凝土施工中，將水管冷卻的降溫作用視作混凝土的吸熱，按負(fù)水化熱處理可以得到考慮水管冷卻作用下的水化熱，即：

（1）

水化熱作為體積力施加于混凝土單元上。在模擬過程中，可用函數(shù)編輯器設(shè)定外界氣溫和水化熱擬合的函數(shù)公式，再采用函數(shù)轉(zhuǎn)化工具將函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的表格，然后ANSYS會(huì)自動(dòng)根據(jù)工期在表格參數(shù)矩陣中選擇載荷值施加在相應(yīng)的部位。

3.2 混凝土澆筑和溫度邊界的仿真

模擬混凝土逐層澆筑需采用ANSYS中的單元生死功能。在分析過程中，單元的“死”是通過一個(gè)很小的因子乘以單元?jiǎng)偠?、質(zhì)量等，使單元不對(duì)模型中的其它部分造成任何影響，也不參與熱分析。直到澆筑層到了澆筑的時(shí)間，通過ANSYS程序激活它，使這些單元成為“生”的單元并加載相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的水化熱后參加各種熱分析過程。

同時(shí)，模擬混凝土拱壩的澆筑過程，還應(yīng)先加載相應(yīng)的邊界條件?；A(chǔ)部分按絕對(duì)邊界條件處理?；炷僚c水接觸時(shí)，表面溫度等于已知的水溫，邊界為第一類邊界條件。在基巖、混凝土與空氣接觸的表面可認(rèn)為其是大氣溫度邊界條件，為第三類邊界條件，此類邊界條件與氣溫和混凝土表面換熱系數(shù)有關(guān)。這幾類邊界條件都可參考規(guī)范中公式將其擬合成隨日變化的余弦函數(shù)。

4 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

圖2 壩體澆筑到第6層的溫度場(chǎng)云圖

圖3 壩體澆筑到第18層的溫度場(chǎng)云圖

圖4 壩體澆筑完成時(shí)溫度場(chǎng)云圖

圖5 壩體澆筑完成兩年后溫度場(chǎng)云圖

從圖2到圖5可看出，隨著混凝土的澆筑，壩體表面最高溫度不斷上移。這是因?yàn)榛炷羷倽仓r(shí)，水化熱較高，附近溫度較高，但隨著時(shí)間的推移，混凝土外表面與空氣接觸，對(duì)流散熱后，溫度降低，離新澆筑層越遠(yuǎn)的混凝土，對(duì)流散熱時(shí)間越長(zhǎng)，溫度也越低。但是2年之后，外表面溫最高溫度從頂部移到底部，這是因?yàn)閴蔚缀穸茸畲?，也最不容易散熱。此時(shí)混凝土的水化熱已經(jīng)完全釋放，外表面溫度已經(jīng)主要受當(dāng)?shù)貧鉁睾蛶?kù)水溫度變化的影響了。

取壩體第6、18層頂面節(jié)點(diǎn)及壩體內(nèi)部不同高程節(jié)點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線進(jìn)行分析。

圖6 第6層頂面節(jié)點(diǎn)位置圖

圖7 第6層頂面節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)間歷程曲線

圖8 第18層頂面節(jié)點(diǎn)位置圖

圖9 第18層頂面節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)間歷程曲線

圖10 壩體內(nèi)不同高程節(jié)點(diǎn)位置圖

圖11 壩體內(nèi)不同高程節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)間歷程曲線

從圖11中可以看出高程不同的澆筑層溫度隨時(shí)間變化的溫度變化規(guī)律。例如，高程最低的節(jié)點(diǎn)1285的水化熱溫升最低，其它高程節(jié)點(diǎn)溫度升高明顯高于它。這是因?yàn)樵谙惹皾仓幕炷了療岙a(chǎn)生的熱量還沒有完全散去之前，又澆筑新的混凝土上來(lái)，導(dǎo)致熱量聚集從而無(wú)法很快散去，因此，后澆筑的混凝土溫升一般比先澆筑的混凝土溫升高，且溫升幅度與高程成正比。節(jié)點(diǎn)945、605、265的水化熱溫升幅度就證明了這一規(guī)律。

但是從壩體厚度來(lái)說(shuō)，壩體越薄，對(duì)流散熱邊界條件越好，溫度下降越快，受環(huán)境溫度年變幅的影響也更明顯，反之則溫度下降越慢，越不易受環(huán)境溫度年變幅的影響。從圖7、圖9中可看出，對(duì)比第6、18層上、下游面節(jié)點(diǎn)911、1013和231、333的溫度曲線，則可看出上、下游面節(jié)點(diǎn)因位于邊界上，和環(huán)境溫度對(duì)流散熱較快，水化放熱溫度短暫上升后就都迅速下降，其變化分別和水溫、氣溫同步。但231、333位于第18層，壩厚較薄，因此溫度下降得也要快一些，并且受到氣溫年變幅的影響更大，且相位比氣溫變化要滯后一段時(shí)間。第6層945節(jié)點(diǎn)位于壩體中間，水化熱溫升達(dá)到最高后，兩年間緩慢下降后依然還有27.1℃左右，基本上不受環(huán)境溫度年變幅的影響，由此可見大體積混凝土的散熱非常慢。

5 結(jié)論

本文針對(duì)工程實(shí)例，探討了在ANSYS中實(shí)現(xiàn)仿真分析的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)大體積混凝土澆筑時(shí)溫度變化進(jìn)行了仿真分析計(jì)算，分析節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化歷程、分布以及發(fā)展規(guī)律，但考慮計(jì)算設(shè)備和時(shí)間等相關(guān)因素，所以在仿真計(jì)算中，本文對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行了些許簡(jiǎn)化，如混凝土的水化熱和溫度邊界條件、徐變等都只是近似擬合考慮。這可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和真實(shí)結(jié)果有一些誤差，仿真分析計(jì)算也只能在宏觀上仿真，因此，這有待我們進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1]朱伯芳等.大體積混凝土的溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，1999.

[2]李曉軍.基于有限單元法的高拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008.

[3]李曉軍，辛全才.基于ANSYS的高拱壩三維有限元分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2008（1）：91-94.

[4]張應(yīng)遷，張洪才.ANSYS有限元從入門到精通[M].人民郵電出版社，2010.

[5]龔曙光，黃云清.有限元分析與ANSYS APDL 編程與高級(jí)運(yùn)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[6]張朝暉.ANSYS8.0熱分析教程與實(shí)例解析[M].北京：中國(guó)鐵道出版杜，2005.

[7]陳應(yīng)波，李秀才，張雄.大體積混凝土溫度場(chǎng)的仿真分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（城市科學(xué)版），2004，21（2）：37-39.endprint

摘 要 以大型通用有限元軟件ANSYS為平臺(tái)，以某大型拱壩為背景，對(duì)大體積砼結(jié)構(gòu)施工期和運(yùn)行期的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析計(jì)算，并對(duì)其分布以及發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞 大體積砼；溫度場(chǎng)；仿真分析；ANYSYS

中圖分類號(hào)：TU377 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0118-03

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)越來(lái)越趨于大型化，如高層樓房基礎(chǔ)、大型設(shè)備基礎(chǔ)、水利大壩等。大體積砼與其他一般鋼筋砼相比，施工技術(shù)要求高、混凝土量大。且大體積砼產(chǎn)生的大量水化熱不易散發(fā)，在受到內(nèi)外部的約束時(shí)在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用。因此，大體積混凝土溫度場(chǎng)的仿真分析對(duì)大體積混凝土的設(shè)計(jì)和施工有重要意義。

1 工程背景

拱壩最大壩高313 m，壩頂高程1928 m。水庫(kù)正常蓄水位為1925 m，設(shè)計(jì)洪水位為1925 m，相應(yīng)壩下游水位為1714.17 m，死水位為1860 m。壩前淤積高程：1786 m，淤沙浮容重：9.0 kN/m3，內(nèi)摩擦角：15?。

有限元整體計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元整體計(jì)算模型

2 ANSYS熱分析原理

ANSYS是一種融電磁、流體、熱、結(jié)構(gòu)等多種學(xué)科于一體的大型有限元通用商業(yè)軟件，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于水利水電、土木工程、機(jī)械制造等眾多領(lǐng)域。

本文主要采用ANSYS對(duì)大體積砼的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。ANSYS具有熱分析功能模塊，可用于計(jì)算一個(gè)部件或系統(tǒng)的溫度分布以及其他熱物理參數(shù)，如熱梯度、熱通量（熱流密度）等。

3 大體積砼溫度場(chǎng)仿真分析的實(shí)現(xiàn)

大體積砼溫度場(chǎng)仿真分析計(jì)算具有一定的難度和復(fù)雜性，因此為提高計(jì)算效率進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：1）假設(shè)在施工時(shí)新澆混凝土是在瞬間完成的；2）不考慮相變，新澆混凝土在完成的瞬間就是固態(tài)；3）將冷卻水管的降溫作用視作混凝土的吸熱，按 “負(fù)水化熱”處理；4）不考慮混凝土干縮和水滲流的影響。

大體積混凝土溫度場(chǎng)仿真分析的實(shí)現(xiàn)還應(yīng)特別重視以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

3.1 外界氣溫及水化熱的模擬

大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過程熱分析的關(guān)鍵是模擬水泥水化熱產(chǎn)生熱量的過程。一般可將水化熱擬合為雙曲線或指數(shù)型。外界氣溫則可擬合成隨時(shí)間變化的余弦函數(shù)。同時(shí)，在模擬大體積混凝土施工中，將水管冷卻的降溫作用視作混凝土的吸熱，按負(fù)水化熱處理可以得到考慮水管冷卻作用下的水化熱，即：

（1）

水化熱作為體積力施加于混凝土單元上。在模擬過程中，可用函數(shù)編輯器設(shè)定外界氣溫和水化熱擬合的函數(shù)公式，再采用函數(shù)轉(zhuǎn)化工具將函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的表格，然后ANSYS會(huì)自動(dòng)根據(jù)工期在表格參數(shù)矩陣中選擇載荷值施加在相應(yīng)的部位。

3.2 混凝土澆筑和溫度邊界的仿真

模擬混凝土逐層澆筑需采用ANSYS中的單元生死功能。在分析過程中，單元的“死”是通過一個(gè)很小的因子乘以單元?jiǎng)偠取①|(zhì)量等，使單元不對(duì)模型中的其它部分造成任何影響，也不參與熱分析。直到澆筑層到了澆筑的時(shí)間，通過ANSYS程序激活它，使這些單元成為“生”的單元并加載相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的水化熱后參加各種熱分析過程。

同時(shí)，模擬混凝土拱壩的澆筑過程，還應(yīng)先加載相應(yīng)的邊界條件?；A(chǔ)部分按絕對(duì)邊界條件處理?；炷僚c水接觸時(shí)，表面溫度等于已知的水溫，邊界為第一類邊界條件。在基巖、混凝土與空氣接觸的表面可認(rèn)為其是大氣溫度邊界條件，為第三類邊界條件，此類邊界條件與氣溫和混凝土表面換熱系數(shù)有關(guān)。這幾類邊界條件都可參考規(guī)范中公式將其擬合成隨日變化的余弦函數(shù)。

4 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

圖2 壩體澆筑到第6層的溫度場(chǎng)云圖

圖3 壩體澆筑到第18層的溫度場(chǎng)云圖

圖4 壩體澆筑完成時(shí)溫度場(chǎng)云圖

圖5 壩體澆筑完成兩年后溫度場(chǎng)云圖

從圖2到圖5可看出，隨著混凝土的澆筑，壩體表面最高溫度不斷上移。這是因?yàn)榛炷羷倽仓r(shí)，水化熱較高，附近溫度較高，但隨著時(shí)間的推移，混凝土外表面與空氣接觸，對(duì)流散熱后，溫度降低，離新澆筑層越遠(yuǎn)的混凝土，對(duì)流散熱時(shí)間越長(zhǎng)，溫度也越低。但是2年之后，外表面溫最高溫度從頂部移到底部，這是因?yàn)閴蔚缀穸茸畲?，也最不容易散熱。此時(shí)混凝土的水化熱已經(jīng)完全釋放，外表面溫度已經(jīng)主要受當(dāng)?shù)貧鉁睾蛶?kù)水溫度變化的影響了。

取壩體第6、18層頂面節(jié)點(diǎn)及壩體內(nèi)部不同高程節(jié)點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線進(jìn)行分析。

圖6 第6層頂面節(jié)點(diǎn)位置圖

圖7 第6層頂面節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)間歷程曲線

圖8 第18層頂面節(jié)點(diǎn)位置圖

圖9 第18層頂面節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)間歷程曲線

圖10 壩體內(nèi)不同高程節(jié)點(diǎn)位置圖

圖11 壩體內(nèi)不同高程節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)間歷程曲線

從圖11中可以看出高程不同的澆筑層溫度隨時(shí)間變化的溫度變化規(guī)律。例如，高程最低的節(jié)點(diǎn)1285的水化熱溫升最低，其它高程節(jié)點(diǎn)溫度升高明顯高于它。這是因?yàn)樵谙惹皾仓幕炷了療岙a(chǎn)生的熱量還沒有完全散去之前，又澆筑新的混凝土上來(lái)，導(dǎo)致熱量聚集從而無(wú)法很快散去，因此，后澆筑的混凝土溫升一般比先澆筑的混凝土溫升高，且溫升幅度與高程成正比。節(jié)點(diǎn)945、605、265的水化熱溫升幅度就證明了這一規(guī)律。

但是從壩體厚度來(lái)說(shuō)，壩體越薄，對(duì)流散熱邊界條件越好，溫度下降越快，受環(huán)境溫度年變幅的影響也更明顯，反之則溫度下降越慢，越不易受環(huán)境溫度年變幅的影響。從圖7、圖9中可看出，對(duì)比第6、18層上、下游面節(jié)點(diǎn)911、1013和231、333的溫度曲線，則可看出上、下游面節(jié)點(diǎn)因位于邊界上，和環(huán)境溫度對(duì)流散熱較快，水化放熱溫度短暫上升后就都迅速下降，其變化分別和水溫、氣溫同步。但231、333位于第18層，壩厚較薄，因此溫度下降得也要快一些，并且受到氣溫年變幅的影響更大，且相位比氣溫變化要滯后一段時(shí)間。第6層945節(jié)點(diǎn)位于壩體中間，水化熱溫升達(dá)到最高后，兩年間緩慢下降后依然還有27.1℃左右，基本上不受環(huán)境溫度年變幅的影響，由此可見大體積混凝土的散熱非常慢。

5 結(jié)論

本文針對(duì)工程實(shí)例，探討了在ANSYS中實(shí)現(xiàn)仿真分析的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)大體積混凝土澆筑時(shí)溫度變化進(jìn)行了仿真分析計(jì)算，分析節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化歷程、分布以及發(fā)展規(guī)律，但考慮計(jì)算設(shè)備和時(shí)間等相關(guān)因素，所以在仿真計(jì)算中，本文對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行了些許簡(jiǎn)化，如混凝土的水化熱和溫度邊界條件、徐變等都只是近似擬合考慮。這可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和真實(shí)結(jié)果有一些誤差，仿真分析計(jì)算也只能在宏觀上仿真，因此，這有待我們進(jìn)一步深入研究。

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