何 沖

(中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司 安徽分公司，合肥 230000)

水工建筑物中的混凝土結(jié)構(gòu)并不同于普通的梁、板、柱等構(gòu)件，如溢流壩就屬于結(jié)構(gòu)尺寸較大的大體積塊體結(jié)構(gòu)。水工混凝土結(jié)構(gòu)基本上與水直接接觸，并承受一定的水壓，所處的環(huán)境經(jīng)常干濕交替，有時(shí)還處于凍融及水流沖刷的環(huán)境。大體積混凝土澆筑時(shí)，由于水泥的凝結(jié)硬化，釋放出大量的水化熱，而周邊環(huán)境溫度又較低，這就造成塊體結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，最終導(dǎo)致溫度裂縫的萌生。

基于水工混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)水工大體積混凝土的溫控分析做了很多研究工作[1-5]，并取得一定的研究成果。然而用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論來分析水工大體積混凝土，會(huì)遇到一些無法解決的困難。本文依據(jù)三維非穩(wěn)定溫度場(chǎng)的計(jì)算理論，基于Ansys有限元軟件分析溢流壩內(nèi)部施工期非穩(wěn)定溫度場(chǎng)分布及隨時(shí)間變化的規(guī)律。

1 計(jì)算原理

施工期三維非穩(wěn)定溫度場(chǎng)T(x,y,z,t)應(yīng)滿足泛定方程及相應(yīng)的約束條件[6-7]。

泛定方程：

初始條件：

T|τ=0=T0(x，y，z)

邊界條件：

第一類邊界條件：T=Tb

第三類邊界條件：

式中：lx、ly、lz為邊界外法線的方向余弦；Tb為給定的邊界條件；Ta為氣溫；T0(x，y，z)為給定的初始溫度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；β為表面放熱系數(shù)。

對(duì)結(jié)構(gòu)域考慮泛函極值并選擇β值進(jìn)行離散化，得如下方程組：

式中：

2 有限元模型及計(jì)算參數(shù)

三維有限元模型中壩基在深度方向和上下游方向各取100 m，模型在左右側(cè)以橫縫面為邊界[8]。模型以溢流壩上游面左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)；大壩的右岸為X軸正向；下游方向?yàn)閅軸正向；鉛直向上為Z軸正向。絕熱邊界為模型中壩基的4個(gè)側(cè)面、底面和模型左右側(cè)橫縫面,第三類邊界為模型中溢流壩水位以上的部分，第一類邊界為水位以下的部分。壩基底面支撐方式假定為固定、上下游面支撐方式為Y軸向簡(jiǎn)支，其余的支撐方式為自由。三維有限元網(wǎng)格剖分模型見圖1，計(jì)算參數(shù)見表1、表2。

圖1 三維有限元網(wǎng)格剖分模型

表1 庫區(qū)平均氣溫

表2 混凝土熱力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3 計(jì)算方案

計(jì)算方案1為混凝土控制澆筑溫度方案。溢流壩剖面采用WES剖面，上游面為鉛直面，下游面坡度為0.75，剖面上下游通過冪曲線連接，溢流壩壩高48.8 m，壩底寬39.43 m，橫縫間距28.0 m。厚1.5 m的常態(tài)混凝土底板于11月下旬開始施工，于12月20日開始施工上部碾壓混凝土，至次年6月20日，溢流壩的累計(jì)澆筑高度達(dá)48.8 m?；炷恋目刂茲仓囟纫姳??；炷翝仓倪M(jìn)度和溫度見表4。

表3 混凝土的控制澆筑溫度

表4 混凝土澆筑層厚和溫度

計(jì)算方案2：該方案是在方案1的基礎(chǔ)上在壩體內(nèi)部通水冷卻[9]，混凝土澆筑的進(jìn)度和溫度與方案1一致。溢流壩壩體內(nèi)部的混凝土澆筑，通水冷卻時(shí)間為15 d，在混凝土澆筑完12 h后通水。冷卻水管按梅花形布置，鋪設(shè)間距為1.5 m×1.5 m，過流流量為1.0 m3/h，管長(zhǎng)250 m。

4 非穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算分析

依據(jù)庫區(qū)溫度、混凝土的熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、混凝土的澆筑進(jìn)度等參數(shù)，對(duì)上述兩種計(jì)算方案分別進(jìn)行施工期全過程溫度場(chǎng)仿真計(jì)算分析。由于非穩(wěn)定溫度場(chǎng)在施工期隨時(shí)間不斷變化，因此仿真計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取0.25 d[10]。每次計(jì)算完一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，即可得出有限元模型每個(gè)結(jié)點(diǎn)上的溫度。計(jì)算方案1和方案2的非穩(wěn)定溫度場(chǎng)仿真計(jì)算成果見圖2-圖13。

圖2 方案1施工期第2月末溫度云圖

圖3 方案2施工期第2月末溫度云圖

圖4 方案1施工期第3月末溫度云圖

圖5 方案2施工期第3月末溫度云圖

圖6 方案1施工期第5月末溫度云圖

圖7 方案2施工期第5月末溫度云圖

圖8 方案1施工期第6月末溫度云圖

圖9 方案2施工期第6月末溫度云圖

圖10 方案1施工期末溫度云圖

圖11 方案2施工期末溫度云圖

圖12 方案1壩高9.0 m處水平截面上特征點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)上述仿真計(jì)算成果，可得出施工期溢流壩的非穩(wěn)定溫度場(chǎng)具有如下特點(diǎn)：

1) 方案1和方案2均在壩高30 m以上的部位出現(xiàn)最高溫度。分析其原因，主要是壩高30 m以上的混凝土澆筑是在環(huán)境氣溫較高的條件下完成，而且壩體中心部位散熱條件較其他部位差，致使中心部位溫度高于其他部位。

2) 方案1壩體內(nèi)最高溫度達(dá)到45.05℃左右，該溫度值在壩高48.0 m處的常態(tài)混凝土中出現(xiàn)。由于是在6月11日澆筑該部位的常態(tài)混凝土，澆筑時(shí)周邊環(huán)境溫度達(dá)到28.0℃左右，使得該部位的常態(tài)混凝土絕熱溫升在27.25℃左右。由此，導(dǎo)致了該部位的常態(tài)混凝土出現(xiàn)最高溫度。

3) 方案1和方案2在壩基強(qiáng)弱約束區(qū)和非約束區(qū)的最大溫差、穩(wěn)定溫度、最高溫度見表5。

表5 方案1和方案2最大溫差、穩(wěn)定溫度、最高溫度以及規(guī)范容許溫差

從表5可知：①基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)為壩高8.0 m以下范圍：方案1在該范圍內(nèi)的最高溫度約33.4℃，最大溫差約13.4℃，規(guī)范容許溫差在10℃～12℃，最大溫差超出規(guī)范最大允許值；方案2在該范圍的最高溫度在28.76℃左右，最大溫差達(dá)到8.76℃左右，規(guī)范允許溫差為10℃～12℃，方案2可滿足規(guī)范規(guī)定的最大溫差要求。由于方案2在基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)采取冷卻措施，水管中的水在流動(dòng)過程中吸收了大部分的熱量，因此該區(qū)域的最高溫度較方案1低4.64℃左右。②基礎(chǔ)弱約束區(qū)為壩高8.0～16.0 m的范圍：方案1在該范圍的最高溫度達(dá)36.21℃左右，最大溫差接近16.21℃，規(guī)范允許溫差范圍在12℃～14.5℃，最大溫差不滿足規(guī)范要求；方案2的最高溫度約31.14℃，最大溫差達(dá)到11.14℃左右，規(guī)范允許溫差范圍在12℃～14.5℃，方案2滿足規(guī)范允許溫差要求。由于方案2在基礎(chǔ)弱約束區(qū)設(shè)有水管冷卻措施，通水過程中大部分水化熱隨水流被帶走，因此最高溫度較方案1低5.07℃。③基礎(chǔ)非約束區(qū)為壩高16.0～43.8 m的范圍：在該范圍方案1的最高溫度約45.05℃，方案2的最高溫度約42.4℃。④從溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的歷程可看出，壩體內(nèi)部最終的穩(wěn)定溫度大概在20.0℃左右。

4) 澆筑大體積混凝土?xí)r采取溫控措施，壩體內(nèi)部的最高溫度可降低2℃～5℃左右。由此可見，采取溫控措施后可有效降低壩體內(nèi)部的最高溫度。

5) 壩體表面溫度的變化與周邊環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)基本一致。

6) 壩體內(nèi)部溫度與混凝土的入倉溫度、周邊環(huán)境溫度及溫控措施有較大的關(guān)系。

5 結(jié) 語

本文從溢流壩的結(jié)構(gòu)布置和施工特點(diǎn)出發(fā)，基于有限元軟件對(duì)混凝土施工期非穩(wěn)定溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析。選取溢流壩段有無溫控措施兩個(gè)混凝土入倉澆筑方案，進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算得出的溫度云圖和溫度歷時(shí)曲線，對(duì)壩體高溫季節(jié)澆筑時(shí)的溫控防裂措施和出機(jī)口混凝土溫度控制的確定具有一定的參考價(jià)值。