航电枢纽大体积混凝土温度场仿真模拟参数优化研究

王新刚，诸葛爱军

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

大体积混凝土由于结构尺寸大、并且混凝土导热系数较低，胶材水化放出的热量难以很快散失，内部温度会很高，从而可能引起结构变形和开裂[1]，这是大体积混凝土结构区别于普通混凝土结构的典型特征。因此大体积混凝土结构在施工前必须对温度场进行详细验算，并根据计算结果制定相应温控防裂技术措施，从而达到避免或减少混凝土开裂的目的[2]。但大体积混凝土温度场仿真模拟需要用到参数较多，比如胶材水化热、混凝土导热系数、比热等，这些参数不可能每项都经由试验获得，部分参数不得不采用规范值或经验值。即使是由试验获得的参数，由于施工现场环境与试验室环境有较大差别，也可能与实际情况不符，从而造成误差。另外在施工过程中，各种影响因素较多，混凝土实际浇筑时的配合比、材料热学性能等都可能发生变化，实际参数容易偏离温度场仿真模拟取值。

为了使大体积混凝土温度场仿真分析结果与实际结果更加接近，结合江西信江八字嘴航电枢纽工程，在对温度场仿真模拟参数分类分析的基础上，将航电枢纽大体积混凝土温度场有限元仿真模拟结果与实测值进行对比，找出产生误差的根本原因，并对相应的仿真模拟参数进行反复调整，使仿真结果与实测结果更加接近，从而达到提高航电枢纽大体积混凝土温度场仿真模拟精度、优化温控技术措施、减少混凝土开裂的目的。

1 温度场仿真模拟参数优化思路

1.1 参数分类

为了便于温度场仿真分析模拟参数优化调整，将这些参数分为3大类[3]，即常规参数、时变参数和边界条件参数。

各类参数名称、取值方法及可能影响的计算结果如表1所列。

表1 大体积混凝土场仿真模拟参数分类及取值方法Table 1 Classification and value selection method of simulation parameters of mass concrete field

1.2 模拟参数反分析优化方法

在大体积混凝土结构施工前，根据表1选取温度场仿真模拟参数初始值，然后建立有限元模型进行仿真模拟计算，再将仿真模拟结果与实测值对比分析，依据表1调整相应的仿真模拟参数。参数调整完成后再进行仿真模拟计算，直到仿真模拟结果与实测结果基本一致为止。

2 上闸首底板温度场仿真模拟

2.1 工程概况

江西信江八字嘴航电枢纽工程，位于信江下游河段，以航运为主，兼有发电等综合利用。本工程包括闸首、闸室、闸室出水段等，均为大体积混凝土结构，且混凝土结构形式复杂多样，裂缝控制难度较大。

2.2 有限元模型

上闸首底板一层尺寸为43.5 m×29.5 m×1.33 m，建立有限元模型如图1所示，计算参数取值如表1所列。

图1 上闸首底板有限元模型Fig.1 Finite element model of upper gate head bottom plate

2.3 仿真模拟结果

上闸首底板温度场仿真模拟时长为30 d，混凝土内部最高温度为60.2℃，温峰出现时间为混凝土浇筑完成后60 h。混凝土表面最高温度为28.5℃，温峰出现时间为混凝土浇筑完成后24 h。中心温度和表面温度随时间变化有限元模拟结果如图2所示[8]。

图2 上闸首底板中心温度和表面温度随时间变化有限元仿真模拟结果Fig.2 Finite element simulation results of the center temperature and surface temperature of the upper gate heat bottom plate changing with time

3 上闸首底板混凝土温度场监测

3.1 温度监测点布置

上闸首底板共布置2个混凝土温度监测点，每个温度监测点在立面上布置4个温度传感器。监测点布置如图3所示。

图3 上闸首底板温度监测点平面布置图Fig.3 Layout plan of temperature monitoring points of upper gate head bottom plate

3.2 温度监测结果

上闸首底板混凝土温度监测时间为30 d，混凝土内部最高温度为60.8℃，温峰出现时间为混凝土浇筑完成后56 h。混凝土表面最高温度为46.9℃，温峰出现时间为混凝土浇筑完成后24 h。中心温度和表面温度随时间变化实测值如图4所示。

图4 上闸首底板中心温度和表面温度随时间变化实测值Fig.4 Measured value of center temperature and surface temperature of upper gate head bottom plate changing with time

4 参数优化

上闸首底板温度仿真模拟值和实测值差异如表2所列。由表2可以看出，上闸首底板温度仿真模拟值与实测值差异较大的主要有：中心降温速率、表面温峰值及表面降温速率。

表2 上闸首底板温度仿真模拟值与实测值对比Table 2 Comparison between simulated value and measured value of temperature of upper gate head bottom plate

根据表1，需要优化调整的参数主要有3个：导热系数、水化放热速率、表面放热系数。经多次反复调整参数及仿真模拟计算，最终得到这3个参数的优化值，即导热系数取8.1 kJ/（m·h·℃），水化放热速率（放热系数函数a）取1.04，表面放热系数取34.86 kJ/（m2·h·℃）。经过参数优化后上闸首底板温度随时间变化仿真模拟值与实测值对比如图5所示。

图5 参数优化后上闸首底板温度随时间变化仿真模拟值与实测值Fig.5 Simulation value and measured value of temperature of upper gate head bottom plate changing with time after parameter optimization

由图5可以看出，经过参数优化后上闸首底板温度随时间变化仿真模拟值与实测值基本一致，误差在可接受范围内，大大提高了温度场仿真模拟精度。

5 结语

大体积混凝土温度场仿真模拟分析所需的各个参数，大多取经验值或实测值，但现场实际施工过程中，各种随机性及不可预见性因素较多，就可能造成仿真模拟结果与实际有较大差别。大体积混凝土温度场仿真模拟结果与实测值完全相符几乎是不可能的，但通过现场实测结果对仿真模拟参数进行反分析优化，反复不断调整仿真模拟参数，是可以达到仿真模拟结果与实测结果相近的目的。