航電樞紐大體積混凝土溫度場仿真模擬參數優化研究

王新剛，諸葛愛軍

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

大體積混凝土由于結構尺寸大、并且混凝土導熱系數較低，膠材水化放出的熱量難以很快散失，內部溫度會很高，從而可能引起結構變形和開裂[1]，這是大體積混凝土結構區別于普通混凝土結構的典型特征。因此大體積混凝土結構在施工前必須對溫度場進行詳細驗算，并根據計算結果制定相應溫控防裂技術措施，從而達到避免或減少混凝土開裂的目的[2]。但大體積混凝土溫度場仿真模擬需要用到參數較多，比如膠材水化熱、混凝土導熱系數、比熱等，這些參數不可能每項都經由試驗獲得，部分參數不得不采用規范值或經驗值。即使是由試驗獲得的參數，由于施工現場環境與試驗室環境有較大差別，也可能與實際情況不符，從而造成誤差。另外在施工過程中，各種影響因素較多，混凝土實際澆筑時的配合比、材料熱學性能等都可能發生變化，實際參數容易偏離溫度場仿真模擬取值。

為了使大體積混凝土溫度場仿真分析結果與實際結果更加接近，結合江西信江八字嘴航電樞紐工程，在對溫度場仿真模擬參數分類分析的基礎上，將航電樞紐大體積混凝土溫度場有限元仿真模擬結果與實測值進行對比，找出產生誤差的根本原因，并對相應的仿真模擬參數進行反復調整，使仿真結果與實測結果更加接近，從而達到提高航電樞紐大體積混凝土溫度場仿真模擬精度、優化溫控技術措施、減少混凝土開裂的目的。

1 溫度場仿真模擬參數優化思路

1.1 參數分類

為了便于溫度場仿真分析模擬參數優化調整，將這些參數分為3大類[3]，即常規參數、時變參數和邊界條件參數。

各類參數名稱、取值方法及可能影響的計算結果如表1所列。

表1 大體積混凝土場仿真模擬參數分類及取值方法Table 1 Classification and value selection method of simulation parameters of mass concrete field

1.2 模擬參數反分析優化方法

在大體積混凝土結構施工前，根據表1選取溫度場仿真模擬參數初始值，然后建立有限元模型進行仿真模擬計算，再將仿真模擬結果與實測值對比分析，依據表1調整相應的仿真模擬參數。參數調整完成后再進行仿真模擬計算，直到仿真模擬結果與實測結果基本一致為止。

2 上閘首底板溫度場仿真模擬

2.1 工程概況

江西信江八字嘴航電樞紐工程，位于信江下游河段，以航運為主，兼有發電等綜合利用。本工程包括閘首、閘室、閘室出水段等，均為大體積混凝土結構，且混凝土結構形式復雜多樣，裂縫控制難度較大。

2.2 有限元模型

上閘首底板一層尺寸為43.5 m×29.5 m×1.33 m，建立有限元模型如圖1所示，計算參數取值如表1所列。

圖1 上閘首底板有限元模型Fig.1 Finite element model of upper gate head bottom plate

2.3 仿真模擬結果

上閘首底板溫度場仿真模擬時長為30 d，混凝土內部最高溫度為60.2℃，溫峰出現時間為混凝土澆筑完成后60 h。混凝土表面最高溫度為28.5℃，溫峰出現時間為混凝土澆筑完成后24 h。中心溫度和表面溫度隨時間變化有限元模擬結果如圖2所示[8]。

圖2 上閘首底板中心溫度和表面溫度隨時間變化有限元仿真模擬結果Fig.2 Finite element simulation results of the center temperature and surface temperature of the upper gate heat bottom plate changing with time

3 上閘首底板混凝土溫度場監測

3.1 溫度監測點布置

上閘首底板共布置2個混凝土溫度監測點，每個溫度監測點在立面上布置4個溫度傳感器。監測點布置如圖3所示。

圖3 上閘首底板溫度監測點平面布置圖Fig.3 Layout plan of temperature monitoring points of upper gate head bottom plate

3.2 溫度監測結果

上閘首底板混凝土溫度監測時間為30 d，混凝土內部最高溫度為60.8℃，溫峰出現時間為混凝土澆筑完成后56 h。混凝土表面最高溫度為46.9℃，溫峰出現時間為混凝土澆筑完成后24 h。中心溫度和表面溫度隨時間變化實測值如圖4所示。

圖4 上閘首底板中心溫度和表面溫度隨時間變化實測值Fig.4 Measured value of center temperature and surface temperature of upper gate head bottom plate changing with time

4 參數優化

上閘首底板溫度仿真模擬值和實測值差異如表2所列。由表2可以看出，上閘首底板溫度仿真模擬值與實測值差異較大的主要有：中心降溫速率、表面溫峰值及表面降溫速率。

表2 上閘首底板溫度仿真模擬值與實測值對比Table 2 Comparison between simulated value and measured value of temperature of upper gate head bottom plate

根據表1，需要優化調整的參數主要有3個：導熱系數、水化放熱速率、表面放熱系數。經多次反復調整參數及仿真模擬計算，最終得到這3個參數的優化值，即導熱系數取8.1 kJ/（m·h·℃），水化放熱速率（放熱系數函數a）取1.04，表面放熱系數取34.86 kJ/（m2·h·℃）。經過參數優化后上閘首底板溫度隨時間變化仿真模擬值與實測值對比如圖5所示。

圖5 參數優化后上閘首底板溫度隨時間變化仿真模擬值與實測值Fig.5 Simulation value and measured value of temperature of upper gate head bottom plate changing with time after parameter optimization

由圖5可以看出，經過參數優化后上閘首底板溫度隨時間變化仿真模擬值與實測值基本一致，誤差在可接受范圍內，大大提高了溫度場仿真模擬精度。

5 結語

大體積混凝土溫度場仿真模擬分析所需的各個參數，大多取經驗值或實測值，但現場實際施工過程中，各種隨機性及不可預見性因素較多，就可能造成仿真模擬結果與實際有較大差別。大體積混凝土溫度場仿真模擬結果與實測值完全相符幾乎是不可能的，但通過現場實測結果對仿真模擬參數進行反分析優化，反復不斷調整仿真模擬參數，是可以達到仿真模擬結果與實測結果相近的目的。