第19卷 第2期 中 国 水 运 Vol.19 No.2 2019年 2月 China Water Transport February 2019 闸室混凝土施工温度数值仿真分析 葛 松 （安徽交通职业技术学院，安徽 合肥 230051） 摘 要：闸室属于大体积混凝土，混凝土水化热导致内外产生较大的温差，造成混凝土产生一定的表面拉应力，因此产生温差裂缝。本文通过模拟某船闸闸室水化热过程，计算大体积混凝土温度场发展情况，分析水化热引起的拉应力及其产生的温度裂缝的进展情况，为后续冷却水管的调整方案提供了有价值的参考。 关键词：闸室；水化热；温度；应力 中图分类号：TU315 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）02-0255-02 在大体积混凝土施工过程中，混凝土表面温度会随着大气温度的变化而变化，其内部由于水化热导致温度升高，从而形成较大的温度梯度，混凝土因此产生膨胀或收缩的温度变形。在大体积混凝土结构中，温度变化不仅引起结构裂缝病害，对混凝土的应力也产生巨大影响，有时温度应力在数值上可能超过其它外荷载引起的应力。温度应力与结构形式、气候条件、施工过程、材料特性等因素有关。本文运用 Midas FEA 软件对闸室结构进行水化热模拟分析，模拟闸室结构的水化热温度场分布，为后续冷却水管的调整方案提供了有价值的参考，为水运工程大体积混凝土温度控制提供参考。 一、工程概况 该船闸位于淮河中游北岸，闸室为钢筋混凝土坞式结构，口门净宽23m，总长180m，顺水流向分成10个结构段，各结构段长18m。 二、模型建立 采用Midas FEA软件对闸室大体积混凝土的温度场和温度应力进行仿真分析。为了更符合实际模拟闸室水化热的过程，模型考虑了底板下面的基础和闸室侧墙的散热影响，在闸室底板的中面上施加对称约束，建立闸室结构的对称建模，底板以下取4m厚度的土体参与计算来考虑底板以下土体对混凝土的水化热散热效果的影响，相关计算参数见表1。 表1 材料特性参数表 特性 比热[J/（kg ℃）] 容重（kN/m） 传导率[kcal/（m hr ℃）] 对流系数[kcal/（m hr ℃）] 外界温度（℃） 浇筑温度（℃） 抗压强度（MPa） 强度发展系数（ACI） 弹性模量（kN/m） 热膨胀系数 泊松比 热源函数 23分为2个阶段进行计算，第一个阶段完成闸室底板的浇筑；第二个阶段完成闸室的侧墙的浇筑。计算模型见图1所示。 图1 计算模型 三、计算结果分析 1．闸室底板水化热分析 图2 最高温度分布图 地基 811 17.65 7.2 50 20 / / / 9.8e4 1e-005 0.2 / 闸室结构 1070 25 10.08 50 20 25 30 a=4.5，b=0.95 3e7 1e-005 0.167 Q（t） =34×[1-e^（-0.605×t）] 图3 最大应力分布图 模型采用3D实体单元，单元网格尺寸0.5m。模拟过程收稿日期：2018-11-25 作者简介：葛 松，安徽交通职业技术学院。 256 中 国 水 运 第19卷 图4 最高温度时程变化图 图5 最大应力时程变化图 从图2~图5可以看出，浇筑后24h，温度最高点发生在底板中心处，温度达到了36.9℃，48h时上升到45.3℃，96h时上升到最大的49.5℃，随后温度开始下降，672h时，下降到最低点。然后施工第二阶段开始实施，闸室侧墙进行浇筑，此时底板的最高温度发生在底板和侧墙交界面，随着侧墙混凝土水化热继续进行，交界面温度上升，浇筑后96h达到最高温度36.5℃后随之下降。应力的变化趋势和温度基本一致，在底板浇筑后96h达到最大的3,132KPa，随后下降至最低的1,5KPa，在进行浇筑闸室侧墙后随着水化热的产生底板顶面的应力升高，在浇筑后96h达到最大应力2,677KPa，随后下降并趋于稳定。 2．闸室侧墙水化热分析 从图6~图9可以看出，侧墙浇筑后温度的变化趋势和底板浇筑后的基本一致，浇筑后24h，最高温度达到了36.8℃，48h时上升到45.2℃，96h时上升到最大的48.0℃，随后温度出现下降，672h时，下降到最低点23.0℃。应力的变化趋势和温度基本一致，在侧墙浇筑后96h达到最大的3,353Kpa，随后下降至最低的1,206KPa并趋于稳定。 图6 最高温度分布图 图7 最大应力分布图 图8 最高温度时程变化图 图9 最大应力时程变化图 四、结论 本文采用Midas FEA软件水化热分析模块，建立闸室结构的三维空间模型进行水化热模拟，分析温度变化及分布情况，通过应力云图，可以直观地看出结构在施工过程中哪些区域容易产生温度裂缝。分析发现闸室底板温度主要分布在中心偏下部位，对冷却水管的布置方案具有一定的指导作用。该计算结果已被应用于该船闸工程，在施工过程中有效地防止了混凝土因水化热作用引起的裂缝。 参考文献 [1] 王嘉航.混凝土水化热特性对温度场和应力场的影响分析[D].南京：河海大学，2003. [2] 王解军，卢二侠，李辉.大体积混凝土施工期的水化热温度场仿真分析[J].中外公路，2006，26（6）：159-165. [3] 邓春林，范洪浩，张琴飞.船闸工程混凝土裂缝控制技术[J].水运工程，2015，（3）：123-127. [4] 李培.大体积混凝土的温控和防裂技术研究[J].科技资讯，2007，（20）：82-83.
