汪洋，许俊杰，程伟 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

1 大体积混凝土整浇仿真分析理论

1.1 仿真计算设计模型

基于混凝土内部温度场和应力分布的复杂性，则采用ANSYS软件进行精确的理论仿真分析，确定混凝土内力分布的控制截面、主应力方向。混凝土和岩石直接接触，选择大体积混凝土结构形状为圆柱体，而任何通过直径方向将其分开均对称，忽略混凝土的各向异性，通过直径剖面内均不存在热交换，所以可以选择任何部分进行设计计算，设计建立一个4m厚、半径为20m四分之一模型，底部岩石基础厚度8m、半径比混凝土部分大8m，岩石混凝土底部张拉廊道宽2.9m左右，计算时忽视深层岩石表面的热交换。计算模型如图1所示。

图1 大体积混凝土设计模型

1.2 温度荷载和温度场设计

本次计算模型采用的温度场和荷载参数如下：

容重（混凝土）：2400kg/m；

比热容（混凝土）：960J/(kg·K)；

导热系数（岩石）：2.2W/(m·K)；

导热系数（混凝土）：2.38W/(m·K)；

保温层与混凝土侧面传热率：1.6W/(m·K)；

保温层—混凝土上表面传热率：2.5W/(m·K)；

岩石基础温度：13℃；

入模温度（混凝土）：13℃；

水泥水化热：285,400J/kg；

环境空气温度：13℃；

半径：20m，厚度：4m。

2 温度及应力计算结果

2.1 温度计算结果

采用以上设计参数和相关规范，进行混凝土温度计算模拟。在计算过程中调整表面混凝土的一些保温层参数，用以选择最合适的混凝土温度边界条件。通过比较选择上表面的保温层传导率2.5 W(m·K)、边缘保温材料的传热率1.6W(m·K)较为恰当。温度计算结果如表1所示。

温度计算结果 表1

通过ANSYS有限元软件计算，混凝土浇筑后大约在140h左右，中心点混凝土温度最高，约为65 C°，将温度随时间变化绘制成曲线如图2所示（横轴为时间/h，纵轴为温度/C°）。

图2 中心点混凝土温度变化曲线

分析混凝土内部的温度场分布情况，以混凝土浇筑施工后123h为例，温度场如图3所示。

图3 混凝土内部第123h温度场分布

2.2 应力计算结果

流体到固体的转变是混凝土形成的一个渐变过程，在这个非常复杂的转变过程中，混凝土形成温度应力。混凝土从初凝到终凝大约需要18h，此时间的形成的应力很小，但在混凝土降温过程中形成的应力才是和混凝土裂缝的产生紧密相关。混凝土从流体到固体形成过程中产生应力还有收缩因素影响，从而导致混凝土的内外收缩不一致，则应当考虑混凝土收缩时产生的附加应力影响。

本工程设计将混凝土温度应力作为一个规律性变化的过程，实际是混凝土浇筑有时间过程的，混凝土具体浇筑时间是与各部分温度的分布对应的。将18h的温度场作为ANSYS有限元计算的基准点，从而计算各部分降温点的温度应力。

通过计算得到不同时间点的混凝土抗拉强度、第一主应力和径向应力、环向应力如表2所示。

应变计算结果 表2

分析混凝土内部应力分布情况，以浇筑后第170h为例，应力分布如图4、图5、图6所示。

图4 混凝土内部第一主应力分布

图5 混凝土内部环向应力分布

图6 混凝土内部径向应力分布

3 计算结论分析

温度规律：在环向与半径方向产生的温度处均出现拉应力，拉应力区域基本分布在混凝土上表面边缘区。在侧面中间水平方向（环向）出现最大主应力，而最大环向应力在上表面与侧面相交处，并且最大主应力大于最大环向应力。考虑环向应力逐渐增大，并且拉应力范围随温度变化而变化，所以建议采取相应的构造措施，将抗裂钢筋布置在受拉区。

应力规律：根据计算所采取的热力学参数数据，各个时间段混凝土的抗拉强度（见表2）均大于混凝土的拉应力，则保证了混凝土内外均不出现裂缝。所以应注意在降温阶段时，避免温降速率过大，在养护期时避免混凝土局部温度过高或过低，实时监控各控制点的应变数据，及时有效地指导现场养护。

综上所述，大体积混凝土整体浇筑施工，可以通过加强温度监控、设置养护覆盖物、增设抗裂钢筋等控制相关裂缝的产生。