CN114925571A - 考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法，通过收集浇筑开始至收仓之后的数据建立深孔的有限元仿真模型；根据选择的保温材料，建立热传导方程，确定初始条件和边界条件，并建立混凝土表面放热系数计算表达式；计算拱坝深孔部位表层混凝土各个时刻在覆盖保温材料时的温度实际值，将其作为拱坝深孔有限元仿真模型的第三类传热边界条件，再结合综合气温以及冷却通水的影响，引入拱坝孔口有限元仿真模型中，即完成考虑保温材料影响的拱坝深孔仿真计算模型的构建，最后针对不同保温材料及不同厚度进行仿真分析；本发明可以解决无法对施工期混凝土的温度场进行准确模拟仿真分析的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电大体积混凝土保温材料及温控技术领域，特别涉及考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法。
背景技术
在混凝土坝型设计中，为了满足防洪、发电、灌溉、生态放水、排沙等需求，通常采用孔口结构，如泄洪深孔、溢流表孔、导流底孔等；泄洪深孔作为大坝的重点部位，孔口承担着坝体施工期及运行期导流任务，因而对孔口周边混凝土的抗裂能力要求较高，且孔口部位选用高标号抗冲耐磨自密实混凝土，其水化热所释放的热量较普通混凝土更多，绝热温升能达到37℃，加上混凝土的导热性较差，这些都使得深孔内部混凝土与表面混凝土易产生较大的温差。另外泄洪深孔首仓主要浇筑材料有二级配混凝土、三级配混凝土和自密实混凝土，因各部位材料不同导致温差的产生，增大了混凝土开裂风险，危害孔口甚至大坝的安全。随着我国坝工技术的迅速发展，大坝混凝土浇筑速度越来越快，研究过程中往往会把间歇期期间的混凝土表面保温措施忽略，但是，实际上由于刚浇筑完成的混凝土早期抗拉强度较低，尤其是部分工程中采用低热混凝土进行浇筑，在间歇期遇上气温骤降，冷击等情况，增大了混凝土开裂风险。在混凝土坝表面保温研究中更应该注意施工期的保温措施及其保温效果；因此需要设计一种考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算方法来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元仿真计算模型的构建方法，可以解决无法对施工期混凝土温度场进行准确模拟仿真分析的问题，计算每个工况下的混凝土温度场；根据各个工况下混凝土的温度状态，结合温控施工技术标准，提出更有针对性的低温季节孔口浇筑仓表面保温措施建议。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：
考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法，包括以下步骤：
S1：开展深孔孔口部位混凝土温度监测试验，收集浇筑开始至收仓之后时间段内的仓面实时气温数据、实际通水数据、混凝土温度数据和坐标数据；
进一步地，仓面实时气温由当地气象站给出；实际通水数据由现场混凝土浇筑时间、间歇期结合实际浇筑计划给出；混凝土温度数据通过分布式光纤测温技术给出；坐标数据可通过现场监测数据，根据相关的CAD图纸，由CAD软件导出；
S2：根据现场监测得到的坐标数据，运用三维有限元ANSYS分析软件建立孔口部位混凝土浇筑块物理模型，并根据深孔建筑仓的浇筑计划和形状尺寸进行网格划分，建立深孔浇筑仓的有限元仿真模型；
S201，确定深孔孔口的浇筑计划：依据实际施工中孔口部位浇筑仓的开仓时间、收仓时间、浇筑历时和间歇期，确定各仓浇筑进度；
S202，确定全局坐标系：选取垂直河流流向为x轴，顺河流向为y轴，铅直方向为z轴；
S203，建立深孔浇筑仓的有限元仿真模型：根据深孔建筑仓的形状尺寸，在已定的坐标系上建立混凝土浇筑仓实体模型并对实体模型进行有限元网格划分，完成深孔浇筑仓的有限元仿真模型建立；
S3：建立热传导方程，确定初始条件和边界条件，根据选择的保温材料，建立混凝土表面放热系数计算表达式：
S301，确定初始条件：混凝土的浇筑温度在温度场仿真分析计算过程中常作为初始温度T0(x,y,z)，即：
T(x,y,z,0)＝T0(x,y,z)＝常数 (1)；
S302，建立热传导公式表达式：热传导方程建立了各向同性固体结构的温度与时间及空间之间的一般关系，根据热量平衡原理，混凝土浇筑块温度升高是外界沿x、y、z方向热量流入与内部水化热共同作用的结果，从而建立热传导公式表达式：
式中T为混凝土温度，℃；τ为时间，h；a为导温系数，m2/d；θ为混凝土的绝热温升，℃，
是温度T对三个空间坐标轴的二次导数，x、y、z分别代表坐标系中的三个坐标轴的方向；
S303，确定边界条件。混凝土与空气接触时采用第三类边界条件，假定经过混凝土表面的热流量q与混凝土表面温度T和气温Ta之差成正比，即可表示：
式(3)中，βs为混凝土表面放热系数，kJ/(m2·h·℃)；q为热流量；λ为导热系数；τ为时间；Ta为混凝土浇筑仓气温；n为法向方向单位矢量；
将拱坝深孔表层混凝土浇筑仓的气温Ta和监测到的混凝土表面温度T以及考虑保温材料时的混凝土表面放热系数βs引入公式(3)中，得到拱坝深孔表层混凝土浇筑仓的第三类传热边界条件中的热流量，并将其作为步骤S2所建立的拱坝孔口的有限元仿真模型的第三类传热边界；
S304，为了减小单元数量和提高计算效率，采用经验公式(4)计算保温材料等效表面放热系数：
式中：Rs为保温板总热阻；β为最外层保温板在空气中的放热系数；hi为保温板厚度；λi为保温板的导热系数；k1为风速修正系数，取1.6(外面加不透风隔层)；k2为潮湿程度修正系数，潮湿材料取3—5，干燥材料取1；
S4：由步骤S1记录得到的拱坝深孔部位表层混凝土各个时刻在覆盖保温材料时的温度实际值，结合气温以及冷却通水的影响，引入步骤S2建立的拱坝深孔有限元仿真模型中，完成考虑保温材料影响的拱坝深孔仿真计算模型的构建；
S5：以施工现场实际情况作为参考工况，针对不同保温材料及不同厚度作为对比工况，计算每个工况下的混凝土温度场；根据各个工况下混凝土的温度状态，结合温控施工技术标准，提出更有针对性的低温季节孔口浇筑仓表面保温措施建议，
优选地，上述考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法，步骤S4中考虑保温材料影响的拱坝深孔仿真计算模型的构建具体方法如下：
S401，确定通水影响计算表达式：在一期通水冷却阶段，需要换挡多次进行冷却；因此建立通水影响计算表达式：
T(t)＝Twi+(Ti-Twi)φi(t)+θ0ψi(t) (5)；
k＝2.09-1.35ξ+0.320ξ2 (10)；
式中：e为数学中的自然常数，Twi为第i档通水水温；Ti为i-1档通水结束且第i档通水开始时的混凝土温度；φi(t)为第i档水温通水时的水冷函数；θ0为绝热温升；ψi(t)为第i档时水冷温升函数；pi为第i档时水冷参数；ti为流量或水温改变时刻，当流量或水温改变时t必须从0开始；s、m1、m2为常数；k、a′、D为常数；D为等效冷却柱体直径，b为等效冷却柱体半径，S1、S2分别为水管布置的水平间距和垂直间距；ρ为水的密度，q为通水流量，L为水管长度，c为水的比热，λ为混凝土导热系数；a′为等效导温系数；
S402，根据已知的等效冷却柱体半径b，水管外半径c，水管内半径r0，混凝土导热系数λ，水管导热系数λ1带入下述公式：
将计算出的等效导温系数a′，与混凝土导热系数λ和等效冷却柱体直径D带入公式(8)得到各档水温通水时的水冷参数pi；将各挡水温通水时的水冷参数pi及冷却时间t带入公式(6)中得到各档水温通水时的水冷函数φi(t)，s、m1、m2为常数，s＝0.60，
m2＝0.10m1，n为混凝土水化热达到一半时的龄期，将得到的s、m1、m2、pi、实际通水流量或通水温度改变时刻ti及冷却时间t带入公式(7)中，得到绝热温升组合指数式ψi(t)；将水冷函数φi(t)、已知的绝热温升试验值θ0、绝热温升组合指数式ψi(t)、第i档通水温度Twi以及第i-1档水温通水结束且第i档水温开始通水时的混凝土温度Ti，带入公式(5)中，得到拱坝孔口部位表层混凝土浇筑仓的混凝土平均温度T(t)；
S403，在有限元软件ANSYS中的前处理器中，按照步骤S2确定的坐标系建立拱坝孔口部位混凝土浇筑块的几何模型，并对该模型划分网格单元，完成步骤S2中的拱坝孔口有限元仿真模型；将步骤S3中气温数据Ta和监测得到的混凝土表面温度T，以及混凝土的表面放热系数β带入公式(3)中，得到第三类传热边界条件中的热流量q；利用ANSYS参数化设计语言对模型施加荷载和边界条件，孔口浇筑块模型横缝侧面、浇筑仓顶面以及上下游面的边界条件均为热流量q；通水水温、通水流量和通水时间均按照实际通水方案采用，将步骤S401中的混凝土平均温度T(t)代入步骤S2中的有限元模型进行求解，并与现场实测混凝土温度进行对比，验证考虑保温材料的拱坝孔口仿真计算的准确性，即完成考虑保温材料的拱坝深孔的仿真计算模型构建。
优选地，上述考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法，步骤S5的具体方法如下：
选择深孔浇筑仓顶面和横缝面及上下游面在覆盖不同保温材料及不同厚度的工况，通过分析深孔浇筑仓温度场云图及各代表点温度历时曲线图，研究不同厚度保温材料对浇筑仓顶面、横缝面及上游面保温效果的影响。
本发明存在以下有益效果：
本发明提供一种考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元仿真计算模型的构建方法，可以解决无法对施工期混凝土温度场进行准确模拟仿真分析的问题，考虑保温材料的影响计算多种工况下的混凝土温度场，计算精度较高，较好的表现了保温材料的影响，有利于提出更有针对性的低温季节孔口浇筑仓表面保温措施建议，为后续孔口浇筑仓混凝土温控措施反馈提供有力支持。
附图说明
图1为本发明实例步骤1拱坝深孔模型示意图；
图2为本发明实例步骤1所建立的拱坝孔口有限元仿真模型示意图；
图3为本发明实例距闸墩表面20cm节点计算温度与实测温度对比图；
图4为本发明实例距闸墩表面40cm节点计算温度与实测温度对比图；
图5为本发明实例距闸墩表面60cm节点计算温度与实测温度对比图；
图6为本发明实例17#-062仓中心点计算温度与实测温度对比图；
图7为本发明实例17#-063仓中心点计算温度与实测温度对比图；
图8为本发明实例距横缝表面30cm节点计算温度与实测温度对比图；
图9为本发明实例距横缝表面30cm节点计算温度与实测温度对比图；
图10为本发明实例龄期达到156d时的温度场剖面图；
图11为本发明实例工况1顶面各代表点温度历时图；
图12为本发明实例工况2顶面各代表点温度历时图；
图13为本发明实例工况3顶面各代表点温度历时图；
图14为本发明实例工况4顶面各代表点温度历时图；
图15为本发明实例工况4横缝面各代表点温度历时图；
图16为本发明实例工况5横缝面各代表点温度历时图；
图17为本发明实例工况6横缝面各代表点温度历时图；
图18为本发明实例工况4上游面各代表点温度历时图；
图19为本发明实例工况7上游面各代表点温度历时图；
图20为本发明实例工况8上游面各代表点温度历时图；
具体实施方式
如图1～图20所示，一种考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法，包括以下步骤：
S1：开展深孔孔口部位混凝土温度监测试验，收集浇筑开始至收仓之后时间段内的仓面实时气温数据、实际通水数据、混凝土温度数据和坐标数据；
进一步地，仓面实时气温由当地气象站给出；实际通水数据由现场混凝土浇筑时间、间歇期结合实际浇筑计划给出；混凝土温度数据通过分布式光纤测温技术给出；坐标数据可通过现场监测数据，根据相关的CAD图纸，由CAD软件导出；
S2：根据现场监测得到的坐标数据，运用三维有限元ANSYS分析软件建立孔口部位混凝土浇筑块物理模型，并根据深孔建筑仓的浇筑计划和形状尺寸进行网格划分，建立深孔浇筑仓的有限元仿真模型；
S201，确定深孔孔口的浇筑计划：依据实际施工中孔口部位浇筑仓的开仓时间、收仓时间、浇筑历时和间歇期，确定各仓浇筑进度；
S202，确定全局坐标系：选取垂直河流流向为x轴，顺河流向为y轴，铅直方向为z轴；
S203，建立深孔浇筑仓的有限元仿真模型：根据深孔建筑仓的形状尺寸，在已定的坐标系上建立混凝土浇筑仓实体模型并对实体模型进行有限元网格划分，完成深孔浇筑仓的有限元仿真模型建立；
S3：建立热传导方程，确定初始条件和边界条件，根据选择的保温材料，建立混凝土表面放热系数计算表达式：
S301，确定初始条件：混凝土的浇筑温度在温度场仿真分析计算过程中常作为初始温度T0(x,y,z)，即：
T(x,y,z,0)＝T0(x,y,z)＝常数 (1)；
S302，建立热传导公式表达式：热传导方程建立了各向同性固体结构的温度与时间及空间之间的一般关系，根据热量平衡原理，混凝土浇筑块温度升高是外界沿x、y、z方向热量流入与内部水化热共同作用的结果，从而建立热传导公式表达式：
式中T为混凝土温度，℃；τ为时间，h；a为导温系数，m2/d；θ为混凝土的绝热温升，℃，
是温度T对三个空间坐标轴的二次导数，x、y、z分别代表坐标系中的三个坐标轴的方向；
S303，确定边界条件。混凝土与空气接触时采用第三类边界条件，假定经过混凝土表面的热流量q与混凝土表面温度T和气温Ta之差成正比，即可表示：
式(3)中，βs为混凝土表面放热系数，kJ/(m2·h·℃)；q为热流量；λ为导热系数；τ为时间；Ta为混凝土浇筑仓气温；n为法向方向单位矢量；
将拱坝深孔表层混凝土浇筑仓的气温Ta和监测到的混凝土表面温度T以及考虑保温材料时的混凝土表面放热系数βs引入公式(3)中，得到拱坝深孔表层混凝土浇筑仓的第三类传热边界条件中的热流量，并将其作为步骤S2所建立的拱坝孔口的有限元仿真模型的第三类传热边界；
S304，为了减小单元数量和提高计算效率，采用经验公式(4)计算保温材料等效表面放热系数：
式中：Rs为保温板总热阻；β为最外层保温板在空气中的放热系数；hi为保温板厚度；λi为保温板的导热系数；k1为风速修正系数，取1.6(外面加不透风隔层)；k2为潮湿程度修正系数，潮湿材料取3—5，干燥材料取1；根据式(4)，计算得到保温板(被)厚度h与等效表面放热系数βs的关系如下表1所示，表1中的表面放热系数单位为kJ/(m2·d·℃)：
表1
S4：由步骤S1记录得到的拱坝深孔部位表层混凝土各个时刻在覆盖保温材料时的温度实际值，结合气温以及冷却通水的影响，引入步骤S2建立的拱坝深孔有限元仿真模型中，完成考虑保温材料影响的拱坝深孔仿真计算模型的构建；
S5：以施工现场实际情况作为参考工况，针对不同保温材料及不同厚度作为对比工况，计算每个工况下的混凝土温度场；根据各个工况下混凝土的温度状态，结合温控施工技术标准，提出更有针对性的低温季节孔口浇筑仓表面保温措施建议，
优选地，上述考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法，步骤S4中考虑保温材料影响的拱坝深孔仿真计算模型的构建具体方法如下：
S401，确定通水影响计算表达式：在一期通水冷却阶段，需要换挡多次进行冷却；因此建立通水影响计算表达式：
T(t)＝Twi+(Ti-Twi)φi(t)+θ0ψi(t) (5)；
k＝2.09-1.35ξ+0.320ξ2 (10)；
式中：e为数学中的自然常数，Twi为第i档通水水温；Ti为i-1档通水结束且第i档通水开始时的混凝土温度；φi(t)为第i档水温通水时的水冷函数；θ0为绝热温升；ψi(t)为第i档时水冷温升函数；pi为第i档时水冷参数；ti为流量或水温改变时刻，当流量或水温改变时t必须从0开始；s、m1、m2为常数；k、a′、D为常数；D为等效冷却柱体直径，b为等效冷却柱体半径，S1、S2分别为水管布置的水平间距和垂直间距；ρ为水的密度，q为通水流量，L为水管长度，c为水的比热，λ为混凝土导热系数；a′为等效导温系数；
S402，根据已知的等效冷却柱体半径b，水管外半径c，水管内半径r0，混凝土导热系数λ，水管导热系数λ1带入下述公式：
将计算出的等效导温系数a′，与混凝土导热系数λ和等效冷却柱体直径D带入公式(8)得到各档水温通水时的水冷参数pi；将各挡水温通水时的水冷参数pi及冷却时间t带入公式(6)中得到各档水温通水时的水冷函数φi(t)，s、m1、m2为常数，s＝0.60，
m2＝0.10m1，n为混凝土水化热达到一半时的龄期，将得到的s、m1、m2、pi、实际通水流量或通水温度改变时刻ti及冷却时间t带入公式(7)中，得到绝热温升组合指数式ψi(t)；将水冷函数φi(t)、已知的绝热温升试验值θ0、绝热温升组合指数式ψi(t)、第i档通水温度Twi以及第i-1档水温通水结束且第i档水温开始通水时的混凝土温度Ti，带入公式(5)中，得到拱坝孔口部位表层混凝土浇筑仓的混凝土平均温度T(t)；
S403，在有限元软件ANSYS中的前处理器中，按照步骤S2确定的坐标系建立拱坝孔口部位混凝土浇筑块的几何模型，并对该模型划分网格单元，完成步骤S2中的拱坝孔口有限元仿真模型；将步骤S3中气温数据Ta和监测得到的混凝土表面温度T，以及混凝土的表面放热系数β带入公式(3)中，得到第三类传热边界条件中的热流量q；利用ANSYS参数化设计语言对模型施加荷载和边界条件，孔口浇筑块模型横缝侧面、浇筑仓顶面以及上下游面的边界条件均为热流量q；通水水温、通水流量和通水时间均按照实际通水方案采用，将步骤S401中的混凝土平均温度T(t)代入步骤S2中的有限元模型进行求解，并与现场实测混凝土温度进行对比，验证考虑保温材料的拱坝孔口仿真计算的准确性，即完成考虑保温材料的拱坝深孔的仿真计算模型构建。
优选地，上述考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法，步骤S5的具体方法如下：
选择深孔浇筑仓顶面和横缝面及上下游面在覆盖不同保温材料及不同厚度的工况，通过分析深孔浇筑仓温度场云图及各代表点温度历时曲线图，研究不同厚度保温材料对浇筑仓顶面、横缝面及上游面保温效果的影响。
实施例1：
采用大型有限元仿真软件ANSYS，选取白鹤滩工程17#-059仓～17#-066仓作为建模对象，17#-065仓暨闸墩所在仓，其中选取横河向为x轴，顺河向为y轴，铅直方向为z轴，建立混凝土坝体孔口部位混凝土浇筑块模型，有限元模型如图2所示，其中涉及C18040、C9040混凝土；模型中17#-059仓～17#-066仓高度均为3m，总高度为24m。
模型孔口内部按绝热边界处理，上下游面、横缝面以及顶面按照对流边界处理。在上一仓浇筑块未覆盖混凝土之前，模型顶部同样按第三类边界条件处理。
网格的划分采用8节点实体热单元划分网格，17#-065仓所在区域划分十层单元，单元高度0.3m，其余浇筑仓划分五层单元，单元高度0.5m。整体有限元模型共剖分317460个单元，338704个节点。
计算边界条件为：假定孔口浇筑块模型横缝侧面、浇筑仓顶面以及上下游面均为第三类边界条件，通水水温、通水流量、通水时间均按照实际通水方案采用，环境气温采用现场实测0.5天平均气温。
深孔部位各仓，包括17#-059～17#-066仓的现场浇筑计划见下表2的各仓浇筑进度计划表；温度场仿真计算龄期始于17#-059浇筑后止于17#-067浇筑前，龄期达到156d，通过实测参数，进行温度场仿真计算，结果如图10，以及图11的纵剖图所示：
表2
由图10可知，龄期达到156d的温度场与实测情况基本相符，为了更好的了解深孔浇筑仓各部位的温度变化过程，提高模型计算的准确性，选取部分浇筑仓代表点的计算值与实测值进行对比；取17#-062仓中心节点(编号为99419)、17#-063仓中心节点(编号为103333)，17#-065仓距闸墩表面20cm节点(编号为170272)、40cm节点(编号为170191)、60cm节点(编号为170110)的节点、距横缝表面30cm节点(编号为290103)、50cm节点(编号为289887)，将节点的仿真计算温度与其实测温度进行对比，如图3～图9所示可知：
1、浇筑仓各部位混凝土温度变化趋势与实测数据趋势基本一致；
2、仓内点心点混凝土温度计算值与实测值吻合较好，两者差值均位于1℃以内；
3、从距离闸墩表面不同深度的图中可以看出：
距闸墩表面20cm位置，实测最高温度为23.11℃，达到最高温度龄期为2.5d，计算最高温度为22.60℃，达到最高温度龄期为3d，最高温度相差0.51℃，达到最高温度龄期相差0.5d，平均误差为0.76℃；距闸墩表面40cm位置，实测最高温度为24.07℃，达到最高温度龄期为2.5d，计算最高温度为23.20℃，达到最高温度龄期为3.5d，最高温度相差0.83℃，达到最高温度龄期相差1d，平均误差为0.98℃；距闸墩表面60cm位置，实测最高温度为25.93℃，达到最高温度龄期为3d，计算最高温度为25.40℃，达到最高温度龄期为4d，最高温度相差0.53℃，达到最高温度龄期相差1d，平均误差为0.97℃。距闸墩表面20cm、40cm、60cm位置温度实测值与计算值的平均误差均在1℃以内，拟合效果较好。
4、从距离横缝表面不同深度的图中可以看出：
距横缝表面30cm位置，实测最高温度为27.02℃，达到最高温度龄期为2d，计算最高温度为25.64℃，达到最高温度龄期为2d，最高温度相差1.38℃，达到最高温度龄期相差0d，平均误差为0.99℃；距横缝表面50cm位置，实测最高温度为29.23℃，达到最高温度龄期为2.5d，计算最高温度为28.04℃，达到最高温度龄期为3d，最高温度相差1.19℃，达到最高温度龄期相差0.5d，平均误差为0.87℃。距横缝表面30cm、50cm位置温度实测值与计算值的平均误差均在1℃以内，拟合效果较好。
5、考虑保温材料的孔口混凝土浇筑仓有限元模型计算精度较高，较好的表现出保温材料对表层混凝土温度的影响，为后续孔口浇筑仓混凝土温控措施反馈提供有力的技术支持。
实施例2：
为了研究深孔浇筑仓顶面、横缝面及上下游面在覆盖不同保温材料及不同厚度下的保温效果，白鹤滩施工现场主要保温材料规格，2cm、5cm聚乙烯卷材，3cm聚苯乙烯挤塑保温板及2cm、4cm聚氨酯。本文以白鹤滩施工现场所提供的保温材料规格为基础，设计不同工况，如下表3和表4所示：
表3：不同厚度保温材料计算工况表
表4：仓顶面对应当前各仓光纤实测平均温度及通水情况
1.对仓顶面测点进行仿真分析：结合工况1～4，对浇筑仓(17#-059～17#-065)顶面测点(顶面表面测点编号为108401、距顶面0.3m测点编号为114847、距顶面0.6m测点编号为114846)仿真计算结果进行分析：结合图11～图14可知：随着覆盖聚乙烯卷材厚度增加，表面测点温度波动逐渐减小，在覆盖2cm、4cm、5cm聚乙烯卷材后，表面测点最大昼夜温差分别为1.87℃、1.78℃、1.76℃，与未覆盖聚乙烯卷材相比，表面测点最大昼夜温差分别降低了1.99℃、2.08℃、2.10℃。在覆盖4cm、5cm聚乙烯卷材时保温效果较好，考虑施工安全及经济合理原则，在低温季节时，建议使用4cm或5cm聚乙烯卷材对浇筑仓顶面进行保温，覆盖聚乙烯卷材后，可大幅度降低昼夜温差对浇筑仓顶面的影响。
2.对横缝面测点进行仿真分析：结合工况4～6，对浇筑仓(17#-059～17#-065)横缝面测点(横缝面表面测点编号为285361、距横缝面0.3m测点编号为290329、距横缝面0.5m测点编号为290113)仿真计算结果进行分析。
从图15～图17可以看出：
随着覆盖3cm保温苯板及5cm聚乙烯卷材，表面测点温度波动逐渐减小，在覆盖3cm保温苯板及5cm聚乙烯卷材后，表面测点最大昼夜温差分别为3.29℃、3.21℃，与未覆盖保温材料相比，横缝面测点最大昼夜温差分别降低了1.23℃、1.31℃。在覆盖3cm保温苯板及5cm聚乙烯卷材时保温效果较好，结合现场施工，主要对横缝面进行临时保温，且聚乙烯卷材可重复使用，考虑施工安全及经济合理原则，在低温季节时，建议使用5cm聚乙烯卷材对浇筑仓横缝面进行保温，覆盖5cm聚乙烯卷材后，可大幅度降低昼夜温差对浇筑仓横缝面的影响。
3.对横缝面测点进行仿真分析：结合工况4、7、8，对浇筑仓(17#-059～17#-065)上游面测点(上游面表面测点编号为168033、距上游面0.2m测点编号为170283、距上游面0.4m测点编号为170202、距上游面0.6m测点编号为170121)仿真计算结果进行分析。
从图18～图20可以看出：
随着喷涂聚氨酯厚度增加，表面测点温度波动逐渐减小，在喷涂2cm、4cm聚氨酯后，表面测点最大昼夜温差分别为2.82℃、2.56℃，与未喷涂聚氨酯相比，表面测点最大昼夜温差分别降低了1.46℃、1.72℃，表面测点与中心点最大温差分别降低了8.69℃、10.67℃。在喷涂2cm、4cm聚氨酯时保温效果较好，其可降低上游表面与浇筑仓内部的温差，且上游表面的保温措施需要做到永久保温，考虑夏季昼夜温差比冬季昼夜温差更大，以及施工安全、经济合理原则，在低温季节时，建议喷涂4cm聚氨酯对浇筑仓上游面进行保温，降低混凝土开裂风险。
分析计算结果可得：在没有保温措施的情况下，浇筑仓顶表面、横缝表面及上游表面表面测点的温度变化趋势与气温变化趋势基本一致，受气温影响较大，平均昼夜温差均在2℃以上，在气温温差为7.35℃时，其对浇筑仓顶面温度的扰动深度大约为0.4m，对浇筑仓横缝面温度的扰动深度大约为0.5m，对浇筑仓上游面温度的扰动深度大约为0.4m。覆盖保温材料后，平均昼夜温差均在1℃以内，随着保温材料厚度增加，平均昼夜温差越小，且随距离表面深度增加，平均昼夜温差越小，温度变化趋势越加贴近浇筑仓内部中心点的温度变化趋势。最后对比各工况，同时考虑施工安全及经济合理原则，建议使用4cm或5cm聚乙烯卷材对浇筑仓顶面进行保温，建议使用5cm聚乙烯卷材对浇筑仓横缝面进行保温，建议喷涂4cm聚氨酯对浇筑仓上游面进行保温。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：开展深孔孔口部位混凝土温度监测试验，收集浇筑开始至收仓之后时间段内的仓面实时气温数据、实际通水数据、混凝土温度数据和坐标数据；
S2：根据现场监测得到的坐标数据，运用三维有限元ANSYS分析软件建立孔口部位混凝土浇筑块物理模型，并根据深孔建筑仓的浇筑计划和形状尺寸进行网格划分，建立深孔浇筑仓的有限元仿真模型；
S201，确定深孔孔口的浇筑计划：依据实际施工中孔口部位浇筑仓的开仓时间、收仓时间、浇筑历时和间歇期，确定各仓浇筑进度；
S202，确定全局坐标系：选取垂直河流流向为x轴，顺河流向为y轴，铅直方向为z轴；
S203，建立深孔浇筑仓的有限元仿真模型：根据深孔建筑仓的形状尺寸，在已定的坐标系上建立混凝土浇筑仓实体模型并对实体模型进行有限元网格划分，完成深孔浇筑仓的有限元仿真模型建立；
S3：建立热传导方程，确定初始条件和边界条件，根据选择的保温材料，建立混凝土表面放热系数计算表达式：
S301，确定初始条件：混凝土的浇筑温度在温度场仿真分析计算过程中常作为初始温度T0(x,y,z)，即：
T(x,y,z,0)＝T0(x,y,z)＝常数 (1)；
S302，建立热传导公式表达式：热传导方程建立了各向同性固体结构的温度与时间及空间之间的一般关系，根据热量平衡原理，混凝土浇筑块温度升高是外界沿x、y、z方向热量流入与内部水化热共同作用的结果，从而建立热传导公式表达式：
式中T为混凝土温度，℃；τ为时间，h；a为导温系数，m2/d；θ为混凝土的绝热温升，℃，
是温度T对三个空间坐标轴的二次导数，x、y、z分别代表坐标系中的三个坐标轴的方向；
S303，确定边界条件。混凝土与空气接触时采用第三类边界条件，假定经过混凝土表面的热流量q与混凝土表面温度T和气温Ta之差成正比，即可表示：
式(3)中，βs为混凝土表面放热系数，kJ/(m2·h·℃)；q为热流量；λ为导热系数；τ为时间；Ta为混凝土浇筑仓气温；n为法向方向单位矢量；
将拱坝深孔表层混凝土浇筑仓的气温Ta和监测到的混凝土表面温度T以及考虑保温材料时的混凝土表面放热系数βs引入公式(3)中，得到拱坝深孔表层混凝土浇筑仓的第三类传热边界条件中的热流量，并将其作为步骤S2所建立的拱坝孔口的有限元仿真模型的第三类传热边界；
S304，为了减小单元数量和提高计算效率，采用经验公式(4)计算保温材料等效表面放热系数：
式中：Rs为保温板总热阻；β为最外层保温板在空气中的放热系数；hi为保温板厚度；λi为保温板的导热系数；k1为风速修正系数，取1.6(外面加不透风隔层)；k2为潮湿程度修正系数，潮湿材料取3—5，干燥材料取1；
S4：由步骤S1记录得到的拱坝深孔部位表层混凝土各个时刻在覆盖保温材料时的温度实际值，结合气温以及冷却通水的影响，引入步骤S2建立的拱坝深孔有限元仿真模型中，完成考虑保温材料影响的拱坝深孔仿真计算模型的构建；
S5：以施工现场实际情况作为参考工况，针对不同保温材料及不同厚度作为对比工况，计算每个工况下的混凝土温度场；根据各个工况下混凝土的温度状态，结合温控施工技术标准，提出更有针对性的低温季节孔口浇筑仓表面保温措施建议，
2.根据权利要求1所述的考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法，其特征在于：步骤S4中考虑保温材料影响的拱坝深孔仿真计算模型的构建具体方法如下：
S401，确定通水影响计算表达式：在一期通水冷却阶段，需要换挡多次进行冷却；因此建立通水影响计算表达式：
T(t)＝Twi+(Ti-Twi)φi(t)+θ0ψi(t) (5)；
k＝2.09-1.35ξ+0.320ξ2 (10)；
式中：e为数学中的自然常数，Twi为第i档通水水温；Ti为i-1档通水结束且第i档通水开始时的混凝土温度；φi(t)为第i档水温通水时的水冷函数；θ0为绝热温升；ψi(t)为第i档时水冷温升函数；pi为第i档时水冷参数；ti为流量或水温改变时刻，当流量或水温改变时t必须从0开始；s、m1、m2为常数；k、a′、D为常数；D为等效冷却柱体直径，b为等效冷却柱体半径，S1、S2分别为水管布置的水平间距和垂直间距；ρ为水的密度，q为通水流量，L为水管长度，c为水的比热，λ为混凝土导热系数；a′为等效导温系数；
S402，根据已知的等效冷却柱体半径b，水管外半径c，水管内半径r0，混凝土导热系数λ，水管导热系数λ1带入下述公式：
将计算出的等效导温系数a′，与混凝土导热系数λ和等效冷却柱体直径D带入公式(8)得到各档水温通水时的水冷参数pi；将各挡水温通水时的水冷参数pi及冷却时间t带入公式(6)中得到各档水温通水时的水冷函数φi(t)，s、m1、m2为常数，s＝0.60，
m2＝0.10m1，n为混凝土水化热达到一半时的龄期，将得到的s、m1、m2、pi、实际通水流量或通水温度改变时刻ti及冷却时间t带入公式(7)中，得到绝热温升组合指数式ψi(t)；将水冷函数φi(t)、已知的绝热温升试验值θ0、绝热温升组合指数式ψi(t)、第i档通水温度Twi以及第i-1档水温通水结束且第i档水温开始通水时的混凝土温度Ti，带入公式(5)中，得到拱坝孔口部位表层混凝土浇筑仓的混凝土平均温度T(t)；
S403，在有限元软件ANSYS中的前处理器中，按照步骤S2确定的坐标系建立拱坝孔口部位混凝土浇筑块的几何模型，并对该模型划分网格单元，完成步骤S2中的拱坝孔口有限元仿真模型；将步骤S3中气温数据Ta和监测得到的混凝土表面温度T，以及混凝土的表面放热系数β带入公式(3)中，得到第三类传热边界条件中的热流量q；利用ANSYS参数化设计语言对模型施加荷载和边界条件，孔口浇筑块模型横缝侧面、浇筑仓顶面以及上下游面的边界条件均为热流量q；通水水温、通水流量和通水时间均按照实际通水方案采用，将步骤S401中的混凝土平均温度T(t)代入步骤S2中的有限元模型进行求解，并与现场实测混凝土温度进行对比，验证考虑保温材料的拱坝孔口仿真计算的准确性，即完成考虑保温材料的拱坝深孔的仿真计算模型构建。
3.根据权利要求1所述的考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法，其特征在于：步骤S5的具体方法如下：
选择深孔浇筑仓顶面和横缝面及上下游面在覆盖不同保温材料及不同厚度的工况，通过分析深孔浇筑仓温度场云图及各代表点温度历时曲线图，研究不同厚度保温材料对浇筑仓顶面、横缝面及上游面保温效果的影响。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117272715A (zh) * | 2023-08-14 | 2023-12-22 | 中国人民解放军63723部队 | 一种严寒条件下系统保温性能模拟测试方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN113177338A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-27 | 三峡大学 | 一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法 |
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| CN113177338A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-27 | 三峡大学 | 一种考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建方法 |
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| CN117272715A (zh) * | 2023-08-14 | 2023-12-22 | 中国人民解放军63723部队 | 一种严寒条件下系统保温性能模拟测试方法 |
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