趙倩 張?chǎng)?/p>

摘要：大體積混凝土不同于一般混凝土構(gòu)件的澆筑施工，受其自身特性的影響，在具體的運(yùn)用過(guò)程中要進(jìn)行深入的研究。大體積混凝土的裂縫控制主要在于要準(zhǔn)確把握溫度場(chǎng)的變化過(guò)程，分析溫度場(chǎng)所帶來(lái)的應(yīng)力場(chǎng)變化，從而對(duì)可能出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行預(yù)警分析。本文總結(jié)了大體積混凝土應(yīng)力仿真模擬的基本方法，對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力仿真模擬的研究思路進(jìn)行了梳理，為大體積混凝土溫度應(yīng)力仿真的研究提供參考。

大體積混凝土的溫度應(yīng)力仿真技術(shù)最早源自英國(guó)，英國(guó)學(xué)者提出混凝土橋梁的溫度分布是非線性的應(yīng)力自平衡分布，并運(yùn)用了二維有限分差法進(jìn)行溫度和應(yīng)力分布的研究。20世紀(jì)50年代，我國(guó)逐步開(kāi)始了對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬研究。

本文主要從四個(gè)方面介紹大體積混凝土溫度應(yīng)力仿真模擬的主要方法。

一、有限元分析法。Tatro[1]對(duì)二維有限元程序進(jìn)行修改并應(yīng)用到工程實(shí)際，開(kāi)創(chuàng)了仿真分析的先例，陳堯隆、朱伯芳、董福品[2-4]等基于有限元分析提出了不同的算法，在一定程度上提高了計(jì)算效率。隨著我國(guó)大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力數(shù)值分析和理論研究的逐步發(fā)展，有限元分析法也逐步向精確溫控的方向發(fā)展。目前主流的技術(shù)包括：

（1）???? 考慮降溫管溫度影響效應(yīng)的溫度場(chǎng)分析。進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，可以將水管信息隱含在已有單元的節(jié)點(diǎn)上，降低前處理的工作量，從而建立水管冷卻溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算格式和水管沿程水溫計(jì)算公式，既保證了求解速度，又能反應(yīng)水管附近的溫度變化，得到考慮水管冷卻效應(yīng)的溫度場(chǎng)分析，使得溫度場(chǎng)的仿真更加符合實(shí)際。還可以在混凝土壩初期通水快速預(yù)測(cè)模型中引入調(diào)整項(xiàng)，以反映層面散熱的影響，由澆筑倉(cāng)當(dāng)前實(shí)測(cè)溫度，動(dòng)態(tài)更新水管冷卻溫度預(yù)測(cè)模型的重要項(xiàng)，建立計(jì)算工作量小、快速、準(zhǔn)確的混凝土壩溫度預(yù)測(cè)模型。以上文獻(xiàn)均基于有限元分析軟件，通過(guò)建模、添加邊界條件等方式對(duì)大體積混凝土的溫度應(yīng)力進(jìn)行仿真分析和計(jì)算。

（2）???? 通過(guò)模型轉(zhuǎn)化進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。在工程實(shí)際中大體積混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土的性能對(duì)溫度場(chǎng)有顯著的影響，比如含高摻量粉煤灰的大體積混凝土與普通大體積混凝土的溫度歷程完全不同，想要獲得超高摻量粉煤灰大體積混凝土的溫度仿真曲線，可以采用模型轉(zhuǎn)化的方式進(jìn)行。比如，采用“基準(zhǔn)混凝土”和“超高摻混凝土”進(jìn)行絕熱溫升試驗(yàn)，結(jié)合采用“基準(zhǔn)混凝土”建成的拱壩A的內(nèi)部點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度記錄，提出“超高摻混凝土”的絕熱溫升模型，以此改進(jìn)溫度仿真計(jì)算程序，從而模擬“超高摻混凝土”大壩的溫度歷程曲線。還可以通過(guò)熱模型轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行溫度應(yīng)力場(chǎng)分析，得到結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力場(chǎng);將結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力與對(duì)應(yīng)齡期混凝土的允許抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果調(diào)整和確定具體的養(yǎng)護(hù)方式及對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)或者優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式。

（3）???? 基于開(kāi)發(fā)仿真分析軟件。中國(guó)水利科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的SAPTIS仿真軟件系統(tǒng)[5]，可模擬9 個(gè)過(guò)程、3場(chǎng)耦合、3個(gè)非線性，并針對(duì)精細(xì)建模、計(jì)算規(guī)模大等要求進(jìn)行了并行化開(kāi)發(fā)，可以分析大體積混凝土的典型倉(cāng)面并給出防治裂縫的溫控要點(diǎn)。

二、統(tǒng)計(jì)和仿真的方法結(jié)合進(jìn)行實(shí)時(shí)的仿真分析。最常見(jiàn)的是采用實(shí)測(cè)來(lái)獲取大體積混凝土的溫度場(chǎng)分布情況，進(jìn)而畫出溫度場(chǎng)的等溫線圖;還可以建立混凝土的實(shí)體模型，在各實(shí)體單元之間插入有厚度界面單元以形成混凝土細(xì)觀模型模擬混凝土的溫度場(chǎng)，采用連續(xù)-離散耦合方法模擬混凝土模型在溫度場(chǎng)下的細(xì)觀開(kāi)裂過(guò)程;還可以利用實(shí)測(cè)溫度計(jì)算反演絕熱溫升的方法，通過(guò)在混凝土同一剖面沿徑向布設(shè)不同位置的溫度傳感器，測(cè)量不同時(shí)間不同測(cè)點(diǎn)混凝土的溫度，通過(guò)差分計(jì)算溫度場(chǎng)，利用實(shí)測(cè)溫度與計(jì)算溫度優(yōu)化反演絕熱溫升。通過(guò)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)模擬溫度場(chǎng)，使溫度場(chǎng)的模擬分析建立在工程實(shí)際之上，仿真結(jié)果可能會(huì)更加符合實(shí)際。

三、進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真時(shí)考慮外界因素，例如環(huán)境溫度、溫差、降溫速率、冷水管的吸熱作用等條件的影響。比如，對(duì)于冷卻水管的吸熱作用，可以通過(guò)布設(shè)相關(guān)監(jiān)測(cè)儀器，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，進(jìn)行冷卻水管吸收熱量的計(jì)算，從而對(duì)施工期混凝土等效溫度場(chǎng)的仿真模擬計(jì)算;也可以將混凝土通過(guò)冷卻水管壁面耗散的能量疊加到常規(guī)泛函，根據(jù)此復(fù)合泛函由變分原理建立含冷卻水管混凝土的有限元支配方程;然后根據(jù)冷卻水管的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)估算出混凝土接觸面的等效放熱系數(shù);還可以建立模擬模型，模擬冷卻水管對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的整體冷卻效果，反應(yīng)水管周圍的溫度場(chǎng)梯度變化;劃分網(wǎng)格時(shí)不需考慮水管布置，求解混凝土節(jié)點(diǎn)溫度的同時(shí)可以得到水管的節(jié)點(diǎn)溫度。對(duì)于環(huán)境溫度和溫差的影響，可以測(cè)量大體積混凝土澆筑塊體的內(nèi)外溫差、降溫速度及環(huán)境溫度，基于所得測(cè)量結(jié)果，建立溫控施工方案的計(jì)算模型，采集包括施工現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，輸入所得計(jì)算模型，進(jìn)行溫控仿真計(jì)算;也可以計(jì)算壩體各月平均溫度荷載，確定允許溫度荷載，得到不同時(shí)間和部位需要消減的溫度荷載增量，根據(jù)允許溫度荷載及需要消減的溫度荷載增量，反算大壩不同時(shí)間和部位允許溫度。

四、考慮耦合作用的溫度場(chǎng)模擬。溫度場(chǎng)受多種條件的影響，進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬時(shí)往往需要考慮耦合作用，比如對(duì)于存在淤積的溫度場(chǎng)，需要考慮流固耦合;針對(duì)含水率不同，要考慮水分場(chǎng)對(duì)離散單元抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)的影響，建立水分場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合;求解施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)時(shí)，將溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)分析結(jié)果與施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)耦合，進(jìn)行施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真分析;以及滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合，以及溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合等，都是對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析時(shí)需要考慮的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

[1] TATRO S B，SCHRADER E K.Thermal considerations for roller-com-pacted concrete[J].ACI Structural Journal，1985，82（2）：119-128.

[2] 陳堯隆，何勁.用三維有限元浮動(dòng)網(wǎng)格法進(jìn)行碾壓混凝土重力壩施工期溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力仿真分析[J].水利學(xué)報(bào)，1998（S1）：3-6.

[3] 朱伯芳.多層混凝土結(jié)構(gòu)仿真應(yīng)力分析的并層算法[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1994，13（3）：21-30.

[4] 董福品，謝微，譚玲，劉虎虎.混凝土高壩溫度應(yīng)力仿真分析的三分區(qū)算法[J].水利學(xué)報(bào)，2013，44（2）：227-231.

[5] 張國(guó)新、劉毅、劉有志、李松輝、張磊，高混凝土壩溫控防裂研究進(jìn)展[J]，水利學(xué)報(bào)，2018.

作者簡(jiǎn)介：

趙倩（1988年 8月），漢族，女，河南省南陽(yáng)市，助理研究員，碩士研究生，研究方向：水利工程.

張?chǎng)危?985年 11月），漢族，男，湖北省隨州市，工程師，碩士研究生，

研究方向：水利工程。（等同于第一作者）.