基于ANSYS的大体积混凝土温控措施分析

徐 振，蒋 玲，赵 军

（1.安徽省水利水电勘测设计院，合肥230088；2.安徽职业技术学院，合肥230051；3.江西省建工集团公司，江西 南昌 330700）

基于ANSYS的大体积混凝土温控措施分析

徐 振1，蒋 玲2，赵 军3

（1.安徽省水利水电勘测设计院，合肥230088；2.安徽职业技术学院，合肥230051；3.江西省建工集团公司，江西 南昌 330700）

以白莲崖水库为例，结合大型有限元软件Ansys分析养护技术指标和养护方式，分析大体积混凝土在不同技术指标下可能出现的应力状态，通过理论值与实际值的对比，优化温控措施，对类似项目有一定的借鉴作用。

大体积混凝土；Ansys；温控措施

混凝土在现代建设工程中，占有非常重要的地位。与普通混凝土相比，大体积混凝土具有结构厚、体形大、钢筋密、混凝土浇筑量大、工程条件和施工技术要求高等特点［1］。要保证大体积混凝土的施工质量，就要解决混凝土表面裂缝和收缩裂缝问题，温度控制是关键。

目前常用的温控方法主要有两种：第一是外保法。所谓外保法就是对体积混凝土结构采取相应保温保湿措施，控制凝土结构表面温度和湿度不受散失，从而控制凝土内外温差在规范允许范围内；第二是内降，内降法就是在大体积混凝土结构中采取布设却水管的方式进行降温。来降低混凝土结构内的最高温升值，使混凝土内外温差在规范允许范围内［2］。本文主要讨论，在内降法中布设冷却水管对混凝土中温度极值的控制效果效果，以及改变水管管径、管间距对控制效果的影响。

1 工程概况

白莲崖大坝为全断面碾压混凝土双曲变厚拱坝，坝顶高程234.4米，最大坝高104.6米，坝轴线弧长423米；坝顶宽8.0米，拱冠处坝底厚30.064米。大坝共分11个坝段。大坝总浇筑方量约69.25万立方米。

2006年4月至5月大坝基础垫层浇捣，2006年10月至2007年6月大坝RCC混凝土浇到EL170.00，2007年9月至2009年1月16日浇筑二期（EL170～234.6）。

2 数值分析

2.1 水化热的计算

混凝土水化过程中的热源为水泥水化热，它是影响混凝土温度场的关键因素。常用的水化热的计算公式有指数式双曲线式或复合指数式三种计算公式。研究结果表明，指数式公式的计算结果更接近于工程实测值，本文即采用指数式经验公式进行有限元计算，公式如下［4］

式中Q（t）为1kg水泥累积水化热；t为龄期；Q0为每l kg水泥散热量，单位为kJ／kg；m为水化热系数 即水泥品种与水化热速度有关的系数。

2.2 模型的建立

大体积混凝土的分层浇筑是一个动态过程，用ANSYS进行模拟时应该采用“单元生死”功能［3］。理论计算模型如图1所示。

图1 理论计算模型

考虑到坝体本身的结构对称性，建模尺寸取为16m＊8m＊7m，网格分划情况如图1。边界条件根据实际情况进行设置，底部取绝热状态，混凝土顶部与空气接触形成热对流边界，而四周通过模板与空气进行热交换。

2.3 仿真分析结果

分析过程分为设置冷却水管、不设置冷却水管、实际测得值三种情况，分别分析内部混凝土温度和应力值，结果如表1所示。可以发现，不设置冷却水管的混凝土内部最高温度较之其他两种情况高，表面应力也大。另外，通过情况2和实测值的比较发现，实测值低于仿真计算的数值。主要原因是实际工作中测点布置，以及测试工作容易受外界环境的影响，实测结果略低于真实结果符合规律。通过对比分析可以判断，仿真分析计算可以较真实地反应混凝土内部温度场以及表面温度应力的变化。

表1 实验对比结果

2.4 冷却管降温效果分析

在原有模型的基础上，调整冷却管的管径、管间距，分析两个因素对冷却效果的影响。计算内容包括：1、管径分别为12.5mm，25mm，管距离均1.5m；2、管径为25mm，管距离为1.5m，3.0m。比较结果如图2，图3所示。

图2 不同管径

图3 不同管距

在实际测试实验中，结果发现，若水管间距保持1.5m，将管径从12.5mm扩大一倍，其冷却速度提高了19.7%；若管径保持25mm，管间距由3.0m，缩小至1.5m，冷却时间可缩短1.23倍。结果表明，调整管间距的效果较之调整管径更加显著，与数值分析结果一致。

2.5 温控措施及施工工艺

在白莲崖水库坝体实际施工过程中，坝体内部冷却水采用外径32mm导热高密度聚乙烯塑料管，冷却水管在仓面上按蛇形布置，水管间距为1.5m（浇筑层厚）＊1.5m（水管间距），并分三期进行通水冷却，实现了较好的温度控制效果。

3 结论

本文通过对白莲崖水库坝体大体积混凝土温度场和应力场的分析，研究了不同因素对温度场和温度应力的影响，为采取合理有效的温控措施、保证大体积混凝土的施工质量提供了依据。目前，大坝已经通过安全蓄水鉴定，且已投入使用。实践证明，ANSYS模拟混凝土温度场理论上是可行的、有效的。理论计算确定养护技术指标及技术措施是可行的，有限元理论分析结果对施工养护起到了一定的指导作用。

［1］张爱慧.大体积混凝土施工中裂缝的分析与控制［J］.广东建材，2009，（1）：42.

［2］赵 曼，工新敏.高静.预应力混凝土结构徐变效应有限元分析［J］.国防交通工程与技术 ，2004，38：1.

［3］龚曙光；ANSYS基础应用及范例解析［M］.北京：机械工业出版社，2003：108－121.

［4］王 冲，王勇威，蒲心诚，等.超低水胶比水泥混凝土的自收缩特性及其机理［J］.建筑材料学报，2010，13（1）：75－79.

［5］华龙海，熊刚.大体积混凝土裂缝成因分析及温控措施［J］.道路交通，2009，（11）：35.

Analysis of the Measures of Temperature Control for Mass Concrete Based on ANSYS

Xu Zhen， Jiang Lin， Zhao Jun

Based on Bailianya reservoir，the article analyzes the stress state of large volume concrete in different technical indicators with the finite element software－Ansys.Through the comparison of theoretical value and actual value，the measures of temperature control are optimized which may have a certain reference to similar projects.

large volume concrete；Ansys；measures of temperature control

TU74

A

1673-1794（2012）02-0069-02

徐 振（1984－），男，安徽省安庆市人，助理工程师，主要从事水利工程设计与施工工作。

2012-01-25