大體積混凝土溫度應力仿真模擬技術概述

趙倩 張鑫

摘要：大體積混凝土不同于一般混凝土構件的澆筑施工，受其自身特性的影響，在具體的運用過程中要進行深入的研究。大體積混凝土的裂縫控制主要在于要準確把握溫度場的變化過程，分析溫度場所帶來的應力場變化，從而對可能出現的裂縫進行預警分析。本文總結了大體積混凝土應力仿真模擬的基本方法，對大體積混凝土溫度應力仿真模擬的研究思路進行了梳理，為大體積混凝土溫度應力仿真的研究提供參考。

大體積混凝土的溫度應力仿真技術最早源自英國，英國學者提出混凝土橋梁的溫度分布是非線性的應力自平衡分布，并運用了二維有限分差法進行溫度和應力分布的研究。20世紀50年代，我國逐步開始了對大體積混凝土結構溫度場和應力場的模擬研究。

本文主要從四個方面介紹大體積混凝土溫度應力仿真模擬的主要方法。

一、有限元分析法。Tatro[1]對二維有限元程序進行修改并應用到工程實際，開創了仿真分析的先例，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算效率。隨著我國大體積混凝土結構溫度應力數值分析和理論研究的逐步發展，有限元分析法也逐步向精確溫控的方向發展。目前主流的技術包括：

（1）???? 考慮降溫管溫度影響效應的溫度場分析。進行溫度場分析時，可以將水管信息隱含在已有單元的節點上，降低前處理的工作量，從而建立水管冷卻溫度場的有限元計算格式和水管沿程水溫計算公式，既保證了求解速度，又能反應水管附近的溫度變化，得到考慮水管冷卻效應的溫度場分析，使得溫度場的仿真更加符合實際。還可以在混凝土壩初期通水快速預測模型中引入調整項，以反映層面散熱的影響，由澆筑倉當前實測溫度，動態更新水管冷卻溫度預測模型的重要項，建立計算工作量小、快速、準確的混凝土壩溫度預測模型。以上文獻均基于有限元分析軟件，通過建模、添加邊界條件等方式對大體積混凝土的溫度應力進行仿真分析和計算。

（2）???? 通過模型轉化進行溫度場分析。在工程實際中大體積混凝土結構中混凝土的性能對溫度場有顯著的影響，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，可以采用模型轉化的方式進行。比如，采用“基準混凝土”和“超高摻混凝土”進行絕熱溫升試驗，結合采用“基準混凝土”建成的拱壩A的內部點實測溫度記錄，提出“超高摻混凝土”的絕熱溫升模型，以此改進溫度仿真計算程序，從而模擬“超高摻混凝土”大壩的溫度歷程曲線。還可以通過熱模型轉化為結構模型進行溫度應力場分析，得到結構溫度應力場;將結構溫度應力與對應齡期混凝土的允許抗拉強度進行對比，根據對比結果調整和確定具體的養護方式及對應的技術指標或者優化結構型式。

（3）???? 基于開發仿真分析軟件。中國水利科學研究院開發的SAPTIS仿真軟件系統[5]，可模擬9 個過程、3場耦合、3個非線性，并針對精細建模、計算規模大等要求進行了并行化開發，可以分析大體積混凝土的典型倉面并給出防治裂縫的溫控要點。

二、統計和仿真的方法結合進行實時的仿真分析。最常見的是采用實測來獲取大體積混凝土的溫度場分布情況，進而畫出溫度場的等溫線圖;還可以建立混凝土的實體模型，在各實體單元之間插入有厚度界面單元以形成混凝土細觀模型模擬混凝土的溫度場，采用連續-離散耦合方法模擬混凝土模型在溫度場下的細觀開裂過程;還可以利用實測溫度計算反演絕熱溫升的方法，通過在混凝土同一剖面沿徑向布設不同位置的溫度傳感器，測量不同時間不同測點混凝土的溫度，通過差分計算溫度場，利用實測溫度與計算溫度優化反演絕熱溫升。通過實測的數據來模擬溫度場，使溫度場的模擬分析建立在工程實際之上，仿真結果可能會更加符合實際。

三、進行溫度場仿真時考慮外界因素，例如環境溫度、溫差、降溫速率、冷水管的吸熱作用等條件的影響。比如，對于冷卻水管的吸熱作用，可以通過布設相關監測儀器，并結合數據庫技術，進行冷卻水管吸收熱量的計算，從而對施工期混凝土等效溫度場的仿真模擬計算;也可以將混凝土通過冷卻水管壁面耗散的能量疊加到常規泛函，根據此復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;然后根據冷卻水管的厚度和導熱系數估算出混凝土接觸面的等效放熱系數;還可以建立模擬模型，模擬冷卻水管對大體積混凝土結構的整體冷卻效果，反應水管周圍的溫度場梯度變化;劃分網格時不需考慮水管布置，求解混凝土節點溫度的同時可以得到水管的節點溫度。對于環境溫度和溫差的影響，可以測量大體積混凝土澆筑塊體的內外溫差、降溫速度及環境溫度，基于所得測量結果，建立溫控施工方案的計算模型，采集包括施工現場參數，輸入所得計算模型，進行溫控仿真計算;也可以計算壩體各月平均溫度荷載，確定允許溫度荷載，得到不同時間和部位需要消減的溫度荷載增量，根據允許溫度荷載及需要消減的溫度荷載增量，反算大壩不同時間和部位允許溫度。

四、考慮耦合作用的溫度場模擬。溫度場受多種條件的影響，進行溫度場模擬時往往需要考慮耦合作用，比如對于存在淤積的溫度場，需要考慮流固耦合;針對含水率不同，要考慮水分場對離散單元抗拉強度等力學性質的影響，建立水分場和應力場的耦合;求解施工期壩體混凝土溫度場時，將溫度場實時分析結果與施工進度實時仿真系統耦合，進行施工進度實時仿真分析;以及滲流場與應力場的耦合，以及溫度場和應力場的耦合等，都是對溫度場進行模擬分析時需要考慮的內容。

參考文獻：

[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.用三維有限元浮動網格法進行碾壓混凝土重力壩施工期溫度場和溫度應力仿真分析[J].水利學報，1998（S1）：3-6.

[3] 朱伯芳.多層混凝土結構仿真應力分析的并層算法[J].水力發電學報，1994，13（3）：21-30.

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

[5] 張國新、劉毅、劉有志、李松輝、張磊，高混凝土壩溫控防裂研究進展[J]，水利學報，2018.

作者簡介：

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

張鑫（1985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）.