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1、碾压混凝土浇筑层温度场计算模型研究第22卷第6期2005年12月计算力学ChineseJournalofComputationalMechanicsVo1.22,No.6December2005文章编号:1007—4708(2005)06—0651—07碾压混凝土浇筑层温度场计算模型研究刘海成,吴智敏,宋玉普(1.同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092;2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024)摘要:碾压混凝土浇筑层的初始温度和绝热温升是碾压混凝土坝设计中的常见问题之一,直接关系到温度场仿真计算的精度和计算量问题.本文考虑各碾压层混凝土浇筑时间和水化热散发
2、时间的不同,应用Laplace变换法和叠加原理求出了多层板状结构体的一维温度场理论解答.然后以此解析解为基础,合并多个碾压层为一个浇筑层,建立了温度场等效模型,并给出了复合浇筑层的等效初始温度和等效绝热温升的计算方法.本文的方法能够较好地模拟碾压混凝土分层碾压的施工过程,便于温度场有限元计算,计算结果表明,该方法具有较高的精度.关键词:碾压混凝土;浇筑层;温度场;初始温度;绝热温升中图分类号:TV642.2;TV315文献标识码:A1引言碾压混凝土筑坝采用薄层碾压,连续上升的施工方式,一般每一碾压层厚度仅为0.3m,每天可连续施T5～6层,层面暴露时间为3～4小时,间歇期一般为4～5天.由
3、于碾压层厚度较薄,混凝土的表面温度受控于浇筑期间的大气温度,当浇筑温度等于大气温度且浇筑仓面无保护措施时,上下碾压层的温度差值,在阳光充足的白天高者可超过1O℃(由于日照的影响);在阴雨天或者是夜晚较小,一般不超过2~C[1].在碾压混凝土坝的温度场仿真计算中,如果按照碾压层来离散单元,每个碾压层都考虑大气温度的影响,时间步长缩短到以小时为单位,尽管在理论上可行,但是对于上百米的高坝,尤其是高拱坝,其计算量之大在目前的硬件水平上还是难以实现的.因此,选取适当的时间步长,加大有限元网格尺寸是最直接的解决办法.如果把一天甚至一个连续施工期内浇筑的多个碾压层当作一个浇筑层来计算,该浇筑层的初始温
4、度和绝热温升该如何选取?把大气温度对多个碾压层的影响用对一个浇筑层的影响来考虑是否合适?针对上述问题,文献[2]采用傅里叶变化提出了考虑IEI际气温变化和碾压层混凝土龄期不同的一维最高温度场的解析方法,但计算中需要求解超越方程,也没有给出适合有限元计算的等效模型.文献[3]认为日际气收稿日期:2003一l1—21;修改稿收到日期:2004—03一l1.基金项目:国家自然科学基金(50179002)资助项目.作者简介:刘海成(1972一),男,博士.工程师;吴智敏(1962一),男,教授,博士生导师.温变化,层面暴露时间对浇筑层的影响较小,忽略各碾压层在浇筑期间的水化热散发,以整个浇筑层施工
5、完毕后的时间为水化热散发时间,这样浇筑层的初始温度可由多个碾压层的初始温度连续累加并取平均值得到.本文首先求解了不同碾压时间和不同水化热散发时间的多个碾压层的一维温度场解析表达式,然后以此解析解为基础,把多个碾压层合并为一个浇筑层,建立了浇筑层的等效初始温度和等效绝热温升的计算公式,本文的方法可以模拟碾压混凝土坝的成层浇筑过程,便于应用有限元方法进行温度场仿真计算.2二层碾压混凝土浇筑体温度场的解析解为便于求解多个碾压层浇筑体的温度场,首先求解二层碾压混凝土浇筑体温度场的解析解.2.1已知参数和基本假设(1)浇筑层层面垂直方向的尺寸远小于水平方向的尺寸,因此可按一维问题求解.(2)厚度为J
6、[)的混凝土浇筑在老混凝土上,下部与老混凝土接触良好,上表面与空气接触.(3)新浇筑碾压层具有均匀的初始温度T(O)和与龄期有关的均匀绝热温升.(r).(4)老混凝土具有均匀的初始温度7'.(O+A)和均匀绝热温升.(r+A),Al为老混凝土浇筑完毕到新混凝土浇筑完毕的时问差,r一0时刻新混凝土浇筑.计算力学第22卷(5)新浇筑碾压层上表面的虚厚度近似取d—/(和分别为碾压混凝土导热系数和表面放热系数,当有仓面保护措施时,为等效放热系数).(6)大气温度可以表示为:T.(r)=T.+g(r)(丁.为平均气温,g(r)为大气温度变化值).r.g(T)0.(T)+Ti(0)00(△_斗T)+T
7、o(△-)————2.2问题的分解考虑到热传导方程和边界条件的线性性质,二层碾压混凝土浇筑体温度场可分解为四种典型情况,如图1所示,分别求出各种情况的解答然后叠加,就得到原问题的解答.…o-一一一…旦一一一一—芝一(0)一T.(△.)一T.——.+0l(T)00(△l+T)_^——++情况①情况②情况③情况④图1二层混凝土浇筑体温度场分解示意图Fig.1Decompositionsketchmapoftemperatur
