大体积砼温度场的仿真分析计算

赵迪

摘 要 以大型通用有限元软件ANSYS为平台，以某大型拱坝为背景，对大体积砼结构施工期和运行期的温度场进行仿真分析计算，并对其分布以及发展规律进行了研究。

关键词 大体积砼；温度场；仿真分析；ANYSYS

中图分类号：TU377 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0118-03

随着现代科技的高速发展，混凝土结构越来越趋于大型化，如高层楼房基础、大型设备基础、水利大坝等。大体积砼与其他一般钢筋砼相比，施工技术要求高、混凝土量大。且大体积砼产生的大量水化热不易散发，在受到内外部的约束时在表面产生拉应力，使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用。因此，大体积混凝土温度场的仿真分析对大体积混凝土的设计和施工有重要意义。

1 工程背景

拱坝最大坝高313 m，坝顶高程1928 m。水库正常蓄水位为1925 m，设计洪水位为1925 m，相应坝下游水位为1714.17 m，死水位为1860 m。坝前淤积高程：1786 m，淤沙浮容重：9.0 kN/m3，内摩擦角：15?。

有限元整体计算模型如图1所示。

图1 有限元整体计算模型

2 ANSYS热分析原理

ANSYS是一种融电磁、流体、热、结构等多种学科于一体的大型有限元通用商业软件，在国内外被广泛应用于水利水电、土木工程、机械制造等众多领域。

本文主要采用ANSYS对大体积砼的温度场进行模拟计算。ANSYS具有热分析功能模块，可用于计算一个部件或系统的温度分布以及其他热物理参数，如热梯度、热通量（热流密度）等。

3 大体积砼温度场仿真分析的实现

大体积砼温度场仿真分析计算具有一定的难度和复杂性，因此为提高计算效率进行如下简化：1）假设在施工时新浇混凝土是在瞬间完成的；2）不考虑相变，新浇混凝土在完成的瞬间就是固态；3）将冷却水管的降温作用视作混凝土的吸热，按 “负水化热”处理；4）不考虑混凝土干缩和水渗流的影响。

大体积混凝土温度场仿真分析的实现还应特别重视以下几个关键点。

3.1 外界气温及水化热的模拟

大体积混凝土结构施工过程热分析的关键是模拟水泥水化热产生热量的过程。一般可将水化热拟合为双曲线或指数型。外界气温则可拟合成随时间变化的余弦函数。同时，在模拟大体积混凝土施工中，将水管冷却的降温作用视作混凝土的吸热，按负水化热处理可以得到考虑水管冷却作用下的水化热，即：

（1）

水化热作为体积力施加于混凝土单元上。在模拟过程中，可用函数编辑器设定外界气温和水化热拟合的函数公式，再采用函数转化工具将函数转化为相应的表格，然后ANSYS会自动根据工期在表格参数矩阵中选择载荷值施加在相应的部位。

3.2 混凝土浇筑和温度边界的仿真

模拟混凝土逐层浇筑需采用ANSYS中的单元生死功能。在分析过程中，单元的“死”是通过一个很小的因子乘以单元刚度、质量等，使单元不对模型中的其它部分造成任何影响，也不参与热分析。直到浇筑层到了浇筑的时间，通过ANSYS程序激活它，使这些单元成为“生”的单元并加载相应时间点的水化热后参加各种热分析过程。

同时，模拟混凝土拱坝的浇筑过程，还应先加载相应的边界条件。基础部分按绝对边界条件处理。混凝土与水接触时，表面温度等于已知的水温，边界为第一类边界条件。在基岩、混凝土与空气接触的表面可认为其是大气温度边界条件，为第三类边界条件，此类边界条件与气温和混凝土表面换热系数有关。这几类边界条件都可参考规范中公式将其拟合成随日变化的余弦函数。

4 温度场计算结果分析

图2 坝体浇筑到第6层的温度场云图

图3 坝体浇筑到第18层的温度场云图

图4 坝体浇筑完成时温度场云图

图5 坝体浇筑完成两年后温度场云图

从图2到图5可看出，随着混凝土的浇筑，坝体表面最高温度不断上移。这是因为混凝土刚浇筑时，水化热较高，附近温度较高，但随着时间的推移，混凝土外表面与空气接触，对流散热后，温度降低，离新浇筑层越远的混凝土，对流散热时间越长，温度也越低。但是2年之后，外表面温最高温度从顶部移到底部，这是因为坝底厚度最大，也最不容易散热。此时混凝土的水化热已经完全释放，外表面温度已经主要受当地气温和库水温度变化的影响了。

取坝体第6、18层顶面节点及坝体内部不同高程节点的温度时间历程曲线进行分析。

图6 第6层顶面节点位置图

图7 第6层顶面节点温度时间历程曲线

图8 第18层顶面节点位置图

图9 第18层顶面节点温度时间历程曲线

图10 坝体内不同高程节点位置图

图11 坝体内不同高程节点温度时间历程曲线

从图11中可以看出高程不同的浇筑层温度随时间变化的温度变化规律。例如，高程最低的节点1285的水化热温升最低，其它高程节点温度升高明显高于它。这是因为在先前浇筑的混凝土水化热产生的热量还没有完全散去之前，又浇筑新的混凝土上来，导致热量聚集从而无法很快散去，因此，后浇筑的混凝土温升一般比先浇筑的混凝土温升高，且温升幅度与高程成正比。节点945、605、265的水化热温升幅度就证明了这一规律。

但是从坝体厚度来说，坝体越薄，对流散热边界条件越好，温度下降越快，受环境温度年变幅的影响也更明显，反之则温度下降越慢，越不易受环境温度年变幅的影响。从图7、图9中可看出，对比第6、18层上、下游面节点911、1013和231、333的温度曲线，则可看出上、下游面节点因位于边界上，和环境温度对流散热较快，水化放热温度短暂上升后就都迅速下降，其变化分别和水温、气温同步。但231、333位于第18层，坝厚较薄，因此温度下降得也要快一些，并且受到气温年变幅的影响更大，且相位比气温变化要滞后一段时间。第6层945节点位于坝体中间，水化热温升达到最高后，两年间缓慢下降后依然还有27.1℃左右，基本上不受环境温度年变幅的影响，由此可见大体积混凝土的散热非常慢。

5 结论

本文针对工程实例，探讨了在ANSYS中实现仿真分析的关键技术，对大体积混凝土浇筑时温度变化进行了仿真分析计算，分析节点温度随时间的变化历程、分布以及发展规律，但考虑计算设备和时间等相关因素，所以在仿真计算中，本文对实际问题进行了些许简化，如混凝土的水化热和温度边界条件、徐变等都只是近似拟合考虑。这可能导致计算结果和真实结果有一些误差，仿真分析计算也只能在宏观上仿真，因此，这有待我们进一步深入研究。

参考文献

[1]朱伯芳等.大体积混凝土的温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1999.

[2]李晓军.基于有限单元法的高拱坝体形优化设计[D].西北农林科技大学，2008.

[3]李晓军，辛全才.基于ANSYS的高拱坝三维有限元分析[J].中国农村水利水电，2008（1）：91-94.

[4]张应迁，张洪才.ANSYS有限元从入门到精通[M].人民邮电出版社，2010.

[5]龚曙光，黄云清.有限元分析与ANSYS APDL 编程与高级运用[M].机械工业出版社，2009.

[6]张朝晖.ANSYS8.0热分析教程与实例解析[M].北京：中国铁道出版杜，2005.

[7]陈应波，李秀才，张雄.大体积混凝土温度场的仿真分析[J].华中科技大学学报（城市科学版），2004，21（2）：37-39.endprint

摘 要 以大型通用有限元软件ANSYS为平台，以某大型拱坝为背景，对大体积砼结构施工期和运行期的温度场进行仿真分析计算，并对其分布以及发展规律进行了研究。

关键词 大体积砼；温度场；仿真分析；ANYSYS

中图分类号：TU377 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0118-03

随着现代科技的高速发展，混凝土结构越来越趋于大型化，如高层楼房基础、大型设备基础、水利大坝等。大体积砼与其他一般钢筋砼相比，施工技术要求高、混凝土量大。且大体积砼产生的大量水化热不易散发，在受到内外部的约束时在表面产生拉应力，使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用。因此，大体积混凝土温度场的仿真分析对大体积混凝土的设计和施工有重要意义。

1 工程背景

拱坝最大坝高313 m，坝顶高程1928 m。水库正常蓄水位为1925 m，设计洪水位为1925 m，相应坝下游水位为1714.17 m，死水位为1860 m。坝前淤积高程：1786 m，淤沙浮容重：9.0 kN/m3，内摩擦角：15?。

有限元整体计算模型如图1所示。

图1 有限元整体计算模型

2 ANSYS热分析原理

ANSYS是一种融电磁、流体、热、结构等多种学科于一体的大型有限元通用商业软件，在国内外被广泛应用于水利水电、土木工程、机械制造等众多领域。

本文主要采用ANSYS对大体积砼的温度场进行模拟计算。ANSYS具有热分析功能模块，可用于计算一个部件或系统的温度分布以及其他热物理参数，如热梯度、热通量（热流密度）等。

3 大体积砼温度场仿真分析的实现

大体积砼温度场仿真分析计算具有一定的难度和复杂性，因此为提高计算效率进行如下简化：1）假设在施工时新浇混凝土是在瞬间完成的；2）不考虑相变，新浇混凝土在完成的瞬间就是固态；3）将冷却水管的降温作用视作混凝土的吸热，按 “负水化热”处理；4）不考虑混凝土干缩和水渗流的影响。

大体积混凝土温度场仿真分析的实现还应特别重视以下几个关键点。

3.1 外界气温及水化热的模拟

大体积混凝土结构施工过程热分析的关键是模拟水泥水化热产生热量的过程。一般可将水化热拟合为双曲线或指数型。外界气温则可拟合成随时间变化的余弦函数。同时，在模拟大体积混凝土施工中，将水管冷却的降温作用视作混凝土的吸热，按负水化热处理可以得到考虑水管冷却作用下的水化热，即：

（1）

水化热作为体积力施加于混凝土单元上。在模拟过程中，可用函数编辑器设定外界气温和水化热拟合的函数公式，再采用函数转化工具将函数转化为相应的表格，然后ANSYS会自动根据工期在表格参数矩阵中选择载荷值施加在相应的部位。

3.2 混凝土浇筑和温度边界的仿真

模拟混凝土逐层浇筑需采用ANSYS中的单元生死功能。在分析过程中，单元的“死”是通过一个很小的因子乘以单元刚度、质量等，使单元不对模型中的其它部分造成任何影响，也不参与热分析。直到浇筑层到了浇筑的时间，通过ANSYS程序激活它，使这些单元成为“生”的单元并加载相应时间点的水化热后参加各种热分析过程。

同时，模拟混凝土拱坝的浇筑过程，还应先加载相应的边界条件。基础部分按绝对边界条件处理。混凝土与水接触时，表面温度等于已知的水温，边界为第一类边界条件。在基岩、混凝土与空气接触的表面可认为其是大气温度边界条件，为第三类边界条件，此类边界条件与气温和混凝土表面换热系数有关。这几类边界条件都可参考规范中公式将其拟合成随日变化的余弦函数。

4 温度场计算结果分析

图2 坝体浇筑到第6层的温度场云图

图3 坝体浇筑到第18层的温度场云图

图4 坝体浇筑完成时温度场云图

图5 坝体浇筑完成两年后温度场云图

从图2到图5可看出，随着混凝土的浇筑，坝体表面最高温度不断上移。这是因为混凝土刚浇筑时，水化热较高，附近温度较高，但随着时间的推移，混凝土外表面与空气接触，对流散热后，温度降低，离新浇筑层越远的混凝土，对流散热时间越长，温度也越低。但是2年之后，外表面温最高温度从顶部移到底部，这是因为坝底厚度最大，也最不容易散热。此时混凝土的水化热已经完全释放，外表面温度已经主要受当地气温和库水温度变化的影响了。

取坝体第6、18层顶面节点及坝体内部不同高程节点的温度时间历程曲线进行分析。

图6 第6层顶面节点位置图

图7 第6层顶面节点温度时间历程曲线

图8 第18层顶面节点位置图

图9 第18层顶面节点温度时间历程曲线

图10 坝体内不同高程节点位置图

图11 坝体内不同高程节点温度时间历程曲线

从图11中可以看出高程不同的浇筑层温度随时间变化的温度变化规律。例如，高程最低的节点1285的水化热温升最低，其它高程节点温度升高明显高于它。这是因为在先前浇筑的混凝土水化热产生的热量还没有完全散去之前，又浇筑新的混凝土上来，导致热量聚集从而无法很快散去，因此，后浇筑的混凝土温升一般比先浇筑的混凝土温升高，且温升幅度与高程成正比。节点945、605、265的水化热温升幅度就证明了这一规律。

但是从坝体厚度来说，坝体越薄，对流散热边界条件越好，温度下降越快，受环境温度年变幅的影响也更明显，反之则温度下降越慢，越不易受环境温度年变幅的影响。从图7、图9中可看出，对比第6、18层上、下游面节点911、1013和231、333的温度曲线，则可看出上、下游面节点因位于边界上，和环境温度对流散热较快，水化放热温度短暂上升后就都迅速下降，其变化分别和水温、气温同步。但231、333位于第18层，坝厚较薄，因此温度下降得也要快一些，并且受到气温年变幅的影响更大，且相位比气温变化要滞后一段时间。第6层945节点位于坝体中间，水化热温升达到最高后，两年间缓慢下降后依然还有27.1℃左右，基本上不受环境温度年变幅的影响，由此可见大体积混凝土的散热非常慢。

5 结论

本文针对工程实例，探讨了在ANSYS中实现仿真分析的关键技术，对大体积混凝土浇筑时温度变化进行了仿真分析计算，分析节点温度随时间的变化历程、分布以及发展规律，但考虑计算设备和时间等相关因素，所以在仿真计算中，本文对实际问题进行了些许简化，如混凝土的水化热和温度边界条件、徐变等都只是近似拟合考虑。这可能导致计算结果和真实结果有一些误差，仿真分析计算也只能在宏观上仿真，因此，这有待我们进一步深入研究。

参考文献

[1]朱伯芳等.大体积混凝土的温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1999.

[2]李晓军.基于有限单元法的高拱坝体形优化设计[D].西北农林科技大学，2008.

[3]李晓军，辛全才.基于ANSYS的高拱坝三维有限元分析[J].中国农村水利水电，2008（1）：91-94.

[4]张应迁，张洪才.ANSYS有限元从入门到精通[M].人民邮电出版社，2010.

[5]龚曙光，黄云清.有限元分析与ANSYS APDL 编程与高级运用[M].机械工业出版社，2009.

[6]张朝晖.ANSYS8.0热分析教程与实例解析[M].北京：中国铁道出版杜，2005.

[7]陈应波，李秀才，张雄.大体积混凝土温度场的仿真分析[J].华中科技大学学报（城市科学版），2004，21（2）：37-39.endprint

摘 要 以大型通用有限元软件ANSYS为平台，以某大型拱坝为背景，对大体积砼结构施工期和运行期的温度场进行仿真分析计算，并对其分布以及发展规律进行了研究。

关键词 大体积砼；温度场；仿真分析；ANYSYS

中图分类号：TU377 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0118-03

随着现代科技的高速发展，混凝土结构越来越趋于大型化，如高层楼房基础、大型设备基础、水利大坝等。大体积砼与其他一般钢筋砼相比，施工技术要求高、混凝土量大。且大体积砼产生的大量水化热不易散发，在受到内外部的约束时在表面产生拉应力，使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用。因此，大体积混凝土温度场的仿真分析对大体积混凝土的设计和施工有重要意义。

1 工程背景

拱坝最大坝高313 m，坝顶高程1928 m。水库正常蓄水位为1925 m，设计洪水位为1925 m，相应坝下游水位为1714.17 m，死水位为1860 m。坝前淤积高程：1786 m，淤沙浮容重：9.0 kN/m3，内摩擦角：15?。

有限元整体计算模型如图1所示。

图1 有限元整体计算模型

2 ANSYS热分析原理

ANSYS是一种融电磁、流体、热、结构等多种学科于一体的大型有限元通用商业软件，在国内外被广泛应用于水利水电、土木工程、机械制造等众多领域。

本文主要采用ANSYS对大体积砼的温度场进行模拟计算。ANSYS具有热分析功能模块，可用于计算一个部件或系统的温度分布以及其他热物理参数，如热梯度、热通量（热流密度）等。

3 大体积砼温度场仿真分析的实现

大体积砼温度场仿真分析计算具有一定的难度和复杂性，因此为提高计算效率进行如下简化：1）假设在施工时新浇混凝土是在瞬间完成的；2）不考虑相变，新浇混凝土在完成的瞬间就是固态；3）将冷却水管的降温作用视作混凝土的吸热，按 “负水化热”处理；4）不考虑混凝土干缩和水渗流的影响。

大体积混凝土温度场仿真分析的实现还应特别重视以下几个关键点。

3.1 外界气温及水化热的模拟

大体积混凝土结构施工过程热分析的关键是模拟水泥水化热产生热量的过程。一般可将水化热拟合为双曲线或指数型。外界气温则可拟合成随时间变化的余弦函数。同时，在模拟大体积混凝土施工中，将水管冷却的降温作用视作混凝土的吸热，按负水化热处理可以得到考虑水管冷却作用下的水化热，即：

（1）

水化热作为体积力施加于混凝土单元上。在模拟过程中，可用函数编辑器设定外界气温和水化热拟合的函数公式，再采用函数转化工具将函数转化为相应的表格，然后ANSYS会自动根据工期在表格参数矩阵中选择载荷值施加在相应的部位。

3.2 混凝土浇筑和温度边界的仿真

模拟混凝土逐层浇筑需采用ANSYS中的单元生死功能。在分析过程中，单元的“死”是通过一个很小的因子乘以单元刚度、质量等，使单元不对模型中的其它部分造成任何影响，也不参与热分析。直到浇筑层到了浇筑的时间，通过ANSYS程序激活它，使这些单元成为“生”的单元并加载相应时间点的水化热后参加各种热分析过程。

同时，模拟混凝土拱坝的浇筑过程，还应先加载相应的边界条件。基础部分按绝对边界条件处理。混凝土与水接触时，表面温度等于已知的水温，边界为第一类边界条件。在基岩、混凝土与空气接触的表面可认为其是大气温度边界条件，为第三类边界条件，此类边界条件与气温和混凝土表面换热系数有关。这几类边界条件都可参考规范中公式将其拟合成随日变化的余弦函数。

4 温度场计算结果分析

图2 坝体浇筑到第6层的温度场云图

图3 坝体浇筑到第18层的温度场云图

图4 坝体浇筑完成时温度场云图

图5 坝体浇筑完成两年后温度场云图

从图2到图5可看出，随着混凝土的浇筑，坝体表面最高温度不断上移。这是因为混凝土刚浇筑时，水化热较高，附近温度较高，但随着时间的推移，混凝土外表面与空气接触，对流散热后，温度降低，离新浇筑层越远的混凝土，对流散热时间越长，温度也越低。但是2年之后，外表面温最高温度从顶部移到底部，这是因为坝底厚度最大，也最不容易散热。此时混凝土的水化热已经完全释放，外表面温度已经主要受当地气温和库水温度变化的影响了。

取坝体第6、18层顶面节点及坝体内部不同高程节点的温度时间历程曲线进行分析。

图6 第6层顶面节点位置图

图7 第6层顶面节点温度时间历程曲线

图8 第18层顶面节点位置图

图9 第18层顶面节点温度时间历程曲线

图10 坝体内不同高程节点位置图

图11 坝体内不同高程节点温度时间历程曲线

从图11中可以看出高程不同的浇筑层温度随时间变化的温度变化规律。例如，高程最低的节点1285的水化热温升最低，其它高程节点温度升高明显高于它。这是因为在先前浇筑的混凝土水化热产生的热量还没有完全散去之前，又浇筑新的混凝土上来，导致热量聚集从而无法很快散去，因此，后浇筑的混凝土温升一般比先浇筑的混凝土温升高，且温升幅度与高程成正比。节点945、605、265的水化热温升幅度就证明了这一规律。

但是从坝体厚度来说，坝体越薄，对流散热边界条件越好，温度下降越快，受环境温度年变幅的影响也更明显，反之则温度下降越慢，越不易受环境温度年变幅的影响。从图7、图9中可看出，对比第6、18层上、下游面节点911、1013和231、333的温度曲线，则可看出上、下游面节点因位于边界上，和环境温度对流散热较快，水化放热温度短暂上升后就都迅速下降，其变化分别和水温、气温同步。但231、333位于第18层，坝厚较薄，因此温度下降得也要快一些，并且受到气温年变幅的影响更大，且相位比气温变化要滞后一段时间。第6层945节点位于坝体中间，水化热温升达到最高后，两年间缓慢下降后依然还有27.1℃左右，基本上不受环境温度年变幅的影响，由此可见大体积混凝土的散热非常慢。

5 结论

本文针对工程实例，探讨了在ANSYS中实现仿真分析的关键技术，对大体积混凝土浇筑时温度变化进行了仿真分析计算，分析节点温度随时间的变化历程、分布以及发展规律，但考虑计算设备和时间等相关因素，所以在仿真计算中，本文对实际问题进行了些许简化，如混凝土的水化热和温度边界条件、徐变等都只是近似拟合考虑。这可能导致计算结果和真实结果有一些误差，仿真分析计算也只能在宏观上仿真，因此，这有待我们进一步深入研究。

参考文献

[1]朱伯芳等.大体积混凝土的温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1999.

[2]李晓军.基于有限单元法的高拱坝体形优化设计[D].西北农林科技大学，2008.

[3]李晓军，辛全才.基于ANSYS的高拱坝三维有限元分析[J].中国农村水利水电，2008（1）：91-94.

[4]张应迁，张洪才.ANSYS有限元从入门到精通[M].人民邮电出版社，2010.

[5]龚曙光，黄云清.有限元分析与ANSYS APDL 编程与高级运用[M].机械工业出版社，2009.

[6]张朝晖.ANSYS8.0热分析教程与实例解析[M].北京：中国铁道出版杜，2005.

[7]陈应波，李秀才，张雄.大体积混凝土温度场的仿真分析[J].华中科技大学学报（城市科学版），2004，21（2）：37-39.endprint