劉 峰

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

影響瀝青混凝土面板溫度場的分布因素，一般可以分為外部因素和內(nèi)部因素。外部因素主要考慮氣溫、太陽輻射、風(fēng)速、降雨量等氣候因素，內(nèi)部因素一般包括材料的各種物理參數(shù)、熱工參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)等一些面板結(jié)構(gòu)自身所具有的特性參數(shù)[1]。由此可見，瀝青混凝土面板溫度場的影響因素是多種多樣的。

在以前的一些對于瀝青混凝土面板溫度場的研究中，都是把氣溫作為主要的影響因素，對于其他的諸如太陽輻射、風(fēng)速、日照時長的影響研究較少，這并不能很好地表現(xiàn)面板實(shí)際溫度場的變化。如許協(xié)慶[2]等根據(jù)瀝青混凝土面板受到外界氣溫變化的影響和材料黏彈性特性，采用黏彈性嵌固板建立求解溫度應(yīng)力的模型，計(jì)算了面板護(hù)面層的溫度應(yīng)力，與實(shí)際結(jié)果相一致。王科進(jìn)[3]依據(jù)線性黏彈性理論，求得了反映瀝青混凝土材料黏彈性力學(xué)性能的重要參數(shù)不同溫度下瀝青混凝土的松弛模量[4]。

2 工程概況

本文依托位于西北地區(qū)某抽水蓄能電站，該電站樞紐主要由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)等組成。上水庫工程正常運(yùn)行的洪水標(biāo)準(zhǔn)采用200年一遇，非正常運(yùn)行采用1000年一遇。由于上水庫采用的是開挖筑壩成庫，根據(jù)工程所在地的地質(zhì)條件可知，該庫區(qū)所在地的地下水位大部分低于正常蓄水位，而且?guī)r石的透水率比較大，存在庫區(qū)滲漏問題，所以要進(jìn)行庫區(qū)防滲處理。

電站所在流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)亞干旱氣候，冬季漫長而嚴(yán)寒，長達(dá)5個月，而且寒暑季節(jié)特征分明。冬季極端最低氣溫可達(dá)-41.8 ℃，年平均氣溫僅1.1 ℃。夏季短暫，但極端最高氣溫可達(dá)38.5 ℃[5]。在該地區(qū)，無論是日氣溫變化還是年氣溫變化都比較大，因此更易發(fā)生早晚霜凍。該流域的風(fēng)沙天氣較多，根據(jù)氣象站觀測資料統(tǒng)計(jì)，多年平均風(fēng)速為3.3 m/s，年最大風(fēng)速為23.7 m/s。春季多干旱少雨，氣溫較低，但風(fēng)沙較大。

3 溫度場有限元模型的建立

3.1 溫度場模型的建立

在計(jì)算過程中，本文沿庫岸瀝青混凝土面板深度方向截取剖面進(jìn)行溫度場的非線性有限元分析。為了提高計(jì)算精度，沿面板的防滲層到墊層網(wǎng)格密度從密到疏。單元類型采用四結(jié)點(diǎn)線性傳熱四邊形單元(DC2D4)。面板剖面的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為96 795個，單元總數(shù)為96 400個。

3.2 溫度場計(jì)算工況

由于抽水蓄能電站在運(yùn)行的過程中水位反復(fù)升降，暴露在空氣中的面板受到外界空氣的影響，面板溫度隨氣溫的變化劇烈，相應(yīng)的產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。由于工程所在地處于溫帶季風(fēng)亞干旱氣候，季節(jié)分明，溫度在每個月份的變化有明顯的分別。因此，本文取一年中12個月份的各月平均氣候條件作為計(jì)算工況，對面板在各月的平均氣候條件下的溫度場進(jìn)行分析，以便了解各月平均氣候條件下的溫度場的變化規(guī)律。

瀝青混凝土材料是一種由多種物質(zhì)混合組成的混合物，并不是單一均勻的物質(zhì)，其物理參數(shù)隨著混合料的不同存在大幅的差異。此外，瀝青混凝土又是一種溫敏性的材料，物理參數(shù)隨著溫度的變化而變化[3]，這使得求解過程變得復(fù)雜化。所以，為了簡化求解過程，熱物理參數(shù)均取值為常數(shù)。

3.3 溫度場有限元模型實(shí)現(xiàn)過程

在采用ABAQUS軟件分析計(jì)算的過程中，通常需要經(jīng)歷3個步驟：前處理、分析計(jì)算、后處理。在前處理階段，需要定義物理問題的模型，并生成一個ABAQUS的輸入文件。在分析計(jì)算階段，使用ABAQUS求解輸入文件中所定義的數(shù)值模型，以后臺方式運(yùn)行，分析結(jié)果保存在相應(yīng)的二進(jìn)制文件中。在后處理階段，通過ABAQUS中的可視化模塊讀入輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)庫，用多種方法顯示分析結(jié)構(gòu)，包括動畫、彩色云圖、變形圖等。通過把ABAQUS劃分為一系列的功能模塊來實(shí)現(xiàn)它的前處理、分析計(jì)算和后處理。這些模塊主要包括Part 模塊、特性模塊、裝配模塊、分析步模塊、相互作用模塊、荷載模塊、網(wǎng)格模塊、作業(yè)模塊、視化模塊和草圖模塊。在Part模塊中定義面板的結(jié)構(gòu)形式，主要包括結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)幾何參數(shù)以及形狀。在特性模塊中主要定義瀝青混凝土面板的結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)，指明瀝青混凝土各結(jié)構(gòu)層為各項(xiàng)同性材料，定義材料參數(shù)，如密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等，并把相應(yīng)的材料參數(shù)賦予各結(jié)構(gòu)層。裝配模塊的作用是將存在于自己坐標(biāo)系中獨(dú)立于模型其它部分的Part部件進(jìn)行組合，從而構(gòu)成裝配件，使這些部件存在于同一個總坐標(biāo)系中。分析步模塊的作用是生成和構(gòu)成分析步步驟，并與待求解的問題聯(lián)系起來，通過分析步序列實(shí)現(xiàn)荷載或邊界條件等響應(yīng)的過程變化，根據(jù)需要，在分析步模塊中設(shè)置輸出變量。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 瀝青混凝土面板溫度場年變化過程

本文以12個月份的各月平均氣候條件作為計(jì)算工況，研究面板在各月的平均氣候條件下的溫度場并進(jìn)行分析，得到各月平均氣候條件下的溫度場的變化規(guī)律，見圖1。

圖1 面板表面溫度日變化曲線

圖1(a)～圖1(d)分別表示一年12個月份的溫度場的年變化規(guī)律。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，面板表面的最低溫度出現(xiàn)在1、2、3、11和12月份， 6、7和8月份的面板表面溫度比較接近，且相對其它月份較高，這與實(shí)際情況符合。而且，從圖1中可知，各月溫度場的日變化規(guī)律有一定的相似性。最低溫度一般出現(xiàn)在凌晨4∶30點(diǎn)左右，最高溫度一般出現(xiàn)在下午2∶00左右。雖然各溫度曲線表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，但是由于有效日照時長的影響，面板結(jié)構(gòu)各月份氣溫出現(xiàn)極值時刻并不相同，以及由于氣溫、風(fēng)速、太陽輻射總量的不同，導(dǎo)致面板表面溫度的極值數(shù)值也并不相同。

4.2 面板不同深度處的溫度場變化規(guī)律

面板結(jié)構(gòu)是均勻的層次結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層內(nèi)的各種材料并不相同，材料的熱傳導(dǎo)效應(yīng)也不相同，因此結(jié)構(gòu)內(nèi)部的不同深度處的溫度數(shù)值也會有所差異。本文對面板沿深度方向每隔30 mm取一計(jì)算點(diǎn)(2 mm處為防滲層表面)，分析其在環(huán)境條件作用下24 h內(nèi)的溫度應(yīng)力的變化情況。本文取1月份作為代表月份，研究在該外界環(huán)境條件下，面板結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同深度處溫度場的分布情況，見圖2。

由圖2中可以看出，面板結(jié)構(gòu)的一天24 h的溫度變化幅度總是由面板的頂面開始從上到下逐漸減小。原因在于，面板表面直接受到太陽輻射、氣溫對流的影響，從而造成其升溫快、降溫快的情況，晝夜溫差最大。面板結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離表面深度處，由于上部面層的形成的“保溫”作用，故隨著面板結(jié)構(gòu)深度的增加，溫度的變化幅度逐漸減小。此外，由圖2中可知，面板結(jié)構(gòu)不同深度處的溫度極值總是隨著深度的增加逐漸推后。這主要是由于熱傳導(dǎo)的過程是在介質(zhì)中進(jìn)行能量傳遞的過程，介質(zhì)對熱傳導(dǎo)的作用具有一定的阻礙作用，因此溫度在面板結(jié)構(gòu)中的熱傳導(dǎo)需要時間，面板對外界氣溫的變化的響應(yīng)具有滯后作用。

圖2 1月份面板不同深度處的溫度變化曲線

4.3 太陽輻射對面板表面溫度場的影響

在瀝青混凝土面板溫度場的計(jì)算中，氣溫是影響溫度場的最主要因素，但是太陽輻射對溫度場的影響也不容小覷。針對此種情況，本文以1和7月份代表冬季和夏季來研究太陽輻射對面板溫度場的影響情況，見圖3-圖4。

圖3 1月份考慮和不考慮太陽輻射面板表面溫度對比

圖4 7月份考慮和不考慮太陽輻射面板表面溫度對比

從圖3可以看出，1 月份考慮和不考慮太陽輻射的面板表面溫度從上午9∶00左右開始出現(xiàn)明顯不同。這主要是由于此時太陽升起，面板表面吸收太陽輻射，導(dǎo)致溫度明顯升高。且考慮太陽輻射時，面板表面最高溫度可達(dá) 3.44 ℃；不考慮太陽輻射時，最高溫度為-12.45 ℃，兩者相差15.9 ℃。從圖4中可知，7月份考慮太陽輻射的面板表面溫度最高溫度為40.51 ℃，不考慮太陽輻射的面板表面溫度為16.62 ℃，兩者相差23.90 ℃。對比兩個月份的溫度差值可以發(fā)現(xiàn)，太陽輻射對面板表面的最高溫度有顯著的影響。而且1和7月份中，考慮太陽輻射和不考慮太陽輻射兩者最高氣溫出現(xiàn)的時刻并不一樣。這主要是由于日出時間和有限日照時長使最高氣溫的出現(xiàn)時刻并不一致。

5 結(jié) 論

1) 對于瀝青混凝土面板表面溫度場變化規(guī)律的研究表明，氣溫和太陽輻射是影響面板結(jié)構(gòu)溫度的主要因素，各月的面板表面溫度日變化過程表現(xiàn)出一定的相似性。面板表面最低溫度一般出現(xiàn)在上午4∶30左右，最高溫度出現(xiàn)在下午2∶00左右。由于各月的不同氣溫、太陽輻射、有效日照時長導(dǎo)致極值數(shù)值出現(xiàn)的時刻并不相同。

2) 面板表面直接受到外界環(huán)境變化的的影響，溫度變化幅度最大。隨著面板結(jié)構(gòu)深度的增加，溫度的變化幅度逐漸減小。此外，由于熱傳導(dǎo)的時間效應(yīng)，面板結(jié)構(gòu)對氣候變化的響應(yīng)具有滯后作用，最低溫度和最高溫度出現(xiàn)的時間隨著深度的增加逐漸推后。

3) 對比1和7月份的考慮和不考慮太陽輻射的面板表面的最高溫度表明，太陽輻射對面板結(jié)構(gòu)的溫度具有顯著的影響，有效日照時間決定了太陽輻射的作用時長。因此，它們直接決定了面板能夠獲得太陽輻射能量的多少。對于以7月份為代表的夏季來說，面板表面的最高氣溫是進(jìn)行溫度控制的主要方面。因此，考慮太陽輻射的影響更符合實(shí)際，能準(zhǔn)確地了解面板溫度場的實(shí)際分布情況，對面板的溫度控制有更好的指導(dǎo)意義。