基于ANSYS 仿真的大体积混凝土温控方案确定研究

甘 磊，吴金永

（河南省水利第二工程局集团有限公司，河南 郑州 450016）

0 引 言

大体积混凝土是现代工程中最为常见的结构形式。由于大体积混凝土浇筑尺寸大、导热性能差等特点，导致其在浇筑养护过程中容易产生较大的温度应力，一旦温度应力超出混凝土的抗拉强度，会产生温度裂缝，影响安全使用[1-3]。

对于大体积混凝土施工，需要制定科学合理的温控方案和温控措施，但现有规范仅给出指导性意见，不能对温控方案的确定提供有效的科学指导。施工人员在制定温控方案时，多根据施工经验，无法做到方案优化[4-5]。本文拟采用仿真技术，利用ANSYS 有限元分析工具进行大体积混凝土温控仿真分析，通过对工程实例进行方案优化，提高大体积混凝土温控施工的科学性。

1 实例选择

泵站是常见的水利工程形式，本文选择的工程实例为河南省某加压泵站的泵房底板施工工程。泵站与水库连接，用于加压供水，设计流量19 m³/s，装机数量为4 台，单机装机容量1 600 kW。

根据泵站设计，其主要建筑包括检修闸、进水池、泵房、管线等工程，其中泵房段底板浇筑尺寸最大，是温控施工的关键部位。底板的浇筑长度87.0 m，宽度29.8 m，非齿槽处的底板最大浇筑厚度4.9 m，齿槽部位最大浇筑厚度4.5 m，底板横截面见图1。

图1 泵房底板横截面示意图 单位：m

2 温控方案初选

泵房底板浇筑尺寸大，属于大体积混凝土施工范畴，为保证施工质量，需制定科学合理的温控方案。此次温控施工除常规的优化混凝土配合比、保温养护、选择合理浇筑时间等措施外，提出水管冷却+跳仓法施工的技术方案。

2.1 冷却水管布置

在混凝土中布设冷却水管带走水化反应产生的热量，是混凝土温控施工中常用的温控措施。根据规范要求结合施工经验选择冷却水管参数性能（见表1）。

表1 冷却水管参数性能选择表

2.2 跳仓法施工

跳仓法是降低混凝土温度应力的有效手段。跳仓法施工时，先将混凝土浇筑面分为若干浇筑仓，通过错开各浇筑仓的浇筑时间实现“跳仓”。根据泵房底板的浇筑尺寸，可沿长度方向分为左联、右联和中联，每联的浇筑长度为29.0 m。

2.3 初选温控方案

在确定冷却水管+跳仓法施工的基础上初选温控方案（见表2）。

表2 初选温控方案表

3 仿真关键技术

3.1 仿真工具选择

采用国际流行的大型有限元分析软件ANSYS作为分析工具，可以实现多场耦合计算分析，适用于大体积混凝土温度场、应力场的联合求解。选择计算单元时，热单元选择SOLID70，在进行温度场和应力场耦合计算时，将该单元转换为SOLID45[6-7]。

采用ANSYS 建模，模拟泵房底板浇筑的单元划分见图2。

图2 泵房底板有限元结构图

3.2 冷却水管仿真技术

ANSYS 提供线单元结构。线单元可以较好地实现对冷却水管的模拟，通过线单元与体单元的有效耦合，模拟冷却水管与混凝土的热交互。冷却水管的有限元结构见图3。

图3 冷却水管有限元结构图

3.3 跳仓法仿真技术

ANSYS 分析工具中提供“单元生死”功能：“生”表示该单元处于存在状态，“死”表示该单元处于消失状态。利用“单元生死”可以模拟混凝土跳仓法施工。具体实现过程中，先建立泵房底板的所有结构模型，并将所有单元置于“死”状态，当浇筑至某块混凝土时，将该块混凝土的单元激活即可模拟跳仓法施工。

4 温控方案优化

按照各温控方案的参数，依次对温控方案1～6进行仿真分析，得出温度场和应力场的变化规律。以方案1 为例，对其施工浇筑过程进行温控仿真分析。

4.1 温度场仿真分析

针对跳仓法确定各块浇筑时间，分别模拟各联的浇筑过程，得出右联下层、左联上层、中联下层和中联上层浇筑10 d 后的混凝土温度分布（见图4）。

图4 混凝土温度变化云图

4.2 应力场仿真分析

将温度场耦合至应力场，分别模拟各联的浇筑过程，得出右联下层、左联上层、中联下层和中联上层浇筑10 d 后的混凝土温度应力分布（见图5）。

图5 混凝土温度应力变化云图

经过对方案1 进行温控仿真分析，其最不利工况位置位于中联下层浇筑时段，最大温度拉应力为1.12 MPa，安全系数为1.77。

4.3 温控方案优化

依次对温控方案1～6 进行仿真计算，得出其最不利工况位置、最大温度拉应力和对应的安全系数及最大温度拉应力的出现时间，仿真结果见表3。

表3 不同方案的温控仿真结果表

通过上述仿真分析可知，方案1～3 的最不利工况均出现在中联下层位于齿槽上方的边界中心处，最大温度拉应力出现时间为中联下层浇筑后9 d 左右。其原因为：齿槽处浇筑厚度较大，为4.5 m，该位置距离基础约束较远，已经浇筑完成的左联下层和右联下层对中联下层混凝土产生约束，上述约束叠加内外温差，造成中联下层位于齿槽上方的边界中心处在浇筑后9 d 左右出现最大温度拉应力。方案4～6 的最不利工况出现在中联上层远离齿槽的边角处，最大温度拉应力出现时间为中联上层浇筑后10 d 左右，其原因为：中联上层的浇筑厚度较大，为1.9 m，考虑下层混凝土充分散热，该层不设置冷却水管，从而在中联上层形成较大内外温差；齿槽对中联上层约束弱，中联上层主要受左联上层、右联上层以及中联中层混凝土的约束，中联上层远离齿槽的边角处远离齿槽约束，没有齿槽混凝土的热量输入，导致中联上层远离齿槽的边角处在浇筑后10 d 左右出现最大温度拉应力。以方案1和方案4 为例，其最大温度拉应力出现时刻、出现位置的温度应力云见图6。

图6 温度应力云图

通过ANAYS 仿真分析，方案1～6 均可以保证足够的安全系数，但是2 层浇筑+3 层水管的浇筑方案（方案1～3）温度拉应力更小。相比之下，即便采用2 层浇筑，如果减少水管，仍会导致温度拉应力增加，这主要是由于水管的散热作用强于分层浇筑的散热作用。布置水管后，水管在初期带走热量，可以遏制混凝土内部温度升高。分2 层浇筑时，虽然也布置水管，但上层浇筑厚度较大，导致其最大温度拉应力有一定的提升。

通过方案对比，最终确定方案1 为最优方案，即分2 层2 块浇筑。其中每块的下层浇筑3.0 m，布设2 层水管，每块的上层浇筑1.9 m，布设1 层水管，水管间距0.8 m，通水流量为20 L/min。跳仓法浇筑顺序依次为：左联底板下层—右联底板下层—左联底板上层—右联底板上层—中联底板下层—中联底板上层。

5 结 论

本文对泵房底板的大体积混凝土温控施工方案的优化、确定进行研究，得到主要结论如下：

1）针对实例工程初选6 组温控施工方案，利用ANSYS 有限元仿真工具实现不同温控施工方案的温度场和应力场仿真模拟，得出其最不利工况、最大温度应力、安全系数及出现时间，结合工程的温控施工要求，选出最优的一组温控方案。

2）针对冷却水管+跳仓法的温控施工方案，采用ANSYS 软件中的线单元模拟冷却水管、“单元生死”模拟跳仓法施工技术，可以较好地实现温控施工过程的温度场和应力场仿真计算。