大体积混凝土温度应力仿真模拟技术概述

赵倩 张鑫

摘要：大体积混凝土不同于一般混凝土构件的浇筑施工，受其自身特性的影响，在具体的运用过程中要进行深入的研究。大体积混凝土的裂缝控制主要在于要准确把握温度场的变化过程，分析温度场所带来的应力场变化，从而对可能出现的裂缝进行预警分析。本文总结了大体积混凝土应力仿真模拟的基本方法，对大体积混凝土温度应力仿真模拟的研究思路进行了梳理，为大体积混凝土温度应力仿真的研究提供参考。

大体积混凝土的温度应力仿真技术最早源自英国，英国学者提出混凝土桥梁的温度分布是非线性的应力自平衡分布，并运用了二维有限分差法进行温度和应力分布的研究。20世纪50年代，我国逐步开始了对大体积混凝土结构温度场和应力场的模拟研究。

本文主要从四个方面介绍大体积混凝土温度应力仿真模拟的主要方法。

一、有限元分析法。Tatro[1]对二维有限元程序进行修改并应用到工程实际，开创了仿真分析的先例，陈尧隆、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计算效率。随着我国大体积混凝土结构温度应力数值分析和理论研究的逐步发展，有限元分析法也逐步向精确温控的方向发展。目前主流的技术包括：

（1）     考虑降温管温度影响效应的温度场分析。进行温度场分析时，可以将水管信息隐含在已有单元的节点上，降低前处理的工作量，从而建立水管冷却温度场的有限元计算格式和水管沿程水温计算公式，既保证了求解速度，又能反应水管附近的温度变化，得到考虑水管冷却效应的温度场分析，使得温度场的仿真更加符合实际。还可以在混凝土坝初期通水快速预测模型中引入调整项，以反映层面散热的影响，由浇筑仓当前实测温度，动态更新水管冷却温度预测模型的重要项，建立计算工作量小、快速、准确的混凝土坝温度预测模型。以上文献均基于有限元分析软件，通过建模、添加边界条件等方式对大体积混凝土的温度应力进行仿真分析和计算。

（2）     通过模型转化进行温度场分析。在工程实际中大体积混凝土结构中混凝土的性能对温度场有显著的影响，比如含高掺量粉煤灰的大体积混凝土与普通大体积混凝土的温度历程完全不同，想要获得超高掺量粉煤灰大体积混凝土的温度仿真曲线，可以采用模型转化的方式进行。比如，采用“基准混凝土”和“超高掺混凝土”进行绝热温升试验，结合采用“基准混凝土”建成的拱坝A的内部点实测温度记录，提出“超高掺混凝土”的绝热温升模型，以此改进温度仿真计算程序，从而模拟“超高掺混凝土”大坝的温度历程曲线。还可以通过热模型转化为结构模型进行温度应力场分析，得到结构温度应力场;将结构温度应力与对应龄期混凝土的允许抗拉强度进行对比，根据对比结果调整和确定具体的养护方式及对应的技术指标或者优化结构型式。

（3）     基于开发仿真分析软件。中国水利科学研究院开发的SAPTIS仿真软件系统[5]，可模拟9 个过程、3场耦合、3个非线性，并针对精细建模、计算规模大等要求进行了并行化开发，可以分析大体积混凝土的典型仓面并给出防治裂缝的温控要点。

二、统计和仿真的方法结合进行实时的仿真分析。最常见的是采用实测来获取大体积混凝土的温度场分布情况，进而画出温度场的等温线图;还可以建立混凝土的实体模型，在各实体单元之间插入有厚度界面单元以形成混凝土细观模型模拟混凝土的温度场，采用连续-离散耦合方法模拟混凝土模型在温度场下的细观开裂过程;还可以利用实测温度计算反演绝热温升的方法，通过在混凝土同一剖面沿径向布设不同位置的温度传感器，测量不同时间不同测点混凝土的温度，通过差分计算温度场，利用实测温度与计算温度优化反演绝热温升。通过实测的数据来模拟温度场，使温度场的模拟分析建立在工程实际之上，仿真结果可能会更加符合实际。

三、进行温度场仿真时考虑外界因素，例如环境温度、温差、降温速率、冷水管的吸热作用等条件的影响。比如，对于冷却水管的吸热作用，可以通过布设相关监测仪器，并结合数据库技术，进行冷却水管吸收热量的计算，从而对施工期混凝土等效温度场的仿真模拟计算;也可以将混凝土通过冷却水管壁面耗散的能量叠加到常规泛函，根据此复合泛函由变分原理建立含冷却水管混凝土的有限元支配方程;然后根据冷却水管的厚度和导热系数估算出混凝土接触面的等效放热系数;还可以建立模拟模型，模拟冷却水管对大体积混凝土结构的整体冷却效果，反应水管周围的温度场梯度变化;划分网格时不需考虑水管布置，求解混凝土节点温度的同时可以得到水管的节点温度。对于环境温度和温差的影响，可以测量大体积混凝土浇筑块体的内外温差、降温速度及环境温度，基于所得测量结果，建立温控施工方案的计算模型，采集包括施工现场参数，输入所得计算模型，进行温控仿真计算;也可以计算坝体各月平均温度荷载，确定允许温度荷载，得到不同时间和部位需要消减的温度荷载增量，根据允许温度荷载及需要消减的温度荷载增量，反算大坝不同时间和部位允许温度。

四、考慮耦合作用的温度场模拟。温度场受多种条件的影响，进行温度场模拟时往往需要考虑耦合作用，比如对于存在淤积的温度场，需要考虑流固耦合;针对含水率不同，要考虑水分场对离散单元抗拉强度等力学性质的影响，建立水分场和应力场的耦合;求解施工期坝体混凝土温度场时，将温度场实时分析结果与施工进度实时仿真系统耦合，进行施工进度实时仿真分析;以及渗流场与应力场的耦合，以及温度场和应力场的耦合等，都是对温度场进行模拟分析时需要考虑的内容。

参考文献：

[1] TATRO S B，SCHRADER E K.Thermal considerations for roller-com-pacted concrete[J].ACI Structural Journal，1985，82（2）：119-128.

[2] 陈尧隆，何劲.用三维有限元浮动网格法进行碾压混凝土重力坝施工期温度场和温度应力仿真分析[J].水利学报，1998（S1）：3-6.

[3] 朱伯芳.多层混凝土结构仿真应力分析的并层算法[J].水力发电学报，1994，13（3）：21-30.

[4] 董福品，谢微，谭玲，刘虎虎.混凝土高坝温度应力仿真分析的三分区算法[J].水利学报，2013，44（2）：227-231.

[5] 张国新、刘毅、刘有志、李松辉、张磊，高混凝土坝温控防裂研究进展[J]，水利学报，2018.

作者简介：

赵倩（1988年 8月），汉族，女，河南省南阳市，助理研究员，硕士研究生，研究方向：水利工程.

张鑫（1985年 11月），汉族，男，湖北省随州市，工程师，硕士研究生，

研究方向：水利工程。（等同于第一作者）.