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

摘要

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，该方法包括以下步骤：步骤1：根据拱坝孔口建立拱坝孔口有限元仿真模型；步骤2：建立拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式；步骤3：建立等效气温计算表达式；步骤4：将拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土各个时刻所吸收的太阳辐射热实际值作为拱坝孔口有限元仿真模型的第三类传热边界条件，再结合综合等效气温以及冷却通水影响，代入拱坝孔口有限元仿真模型中，即完成考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建。本发明所要解决的技术问题是提供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，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。

说明书

技术领域

本发明涉及水利水电大体积混凝土强太阳辐射温度预测及温控技术领域，尤其是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。

背景技术

在混凝土大坝建设过程中，由于水泥水化热以及环境气温变化影响等，混凝土内外温差易过大发生开裂。而拱坝孔口部位相对于坝体其他区域来说较为薄弱，外界环境影响明显高于大坝主体。且孔口部位通常采用高标号混凝土，水化热、自生体积变形及弹性模量大，早期应力增长较快，而周边坝体往往采用低标号混凝土，材料特性不同，导致孔口部位易产生表面裂缝，若处置不当，表面裂缝往往发展成为贯穿性裂缝，危害孔口甚至大坝的安全。白鹤滩大坝地处强太阳辐射区，夏季高温、日照强烈，白天河谷最高气温达37℃以上，夜间气温在22℃左右，昼夜温差达10℃以上。孔口部位浇筑易处于高温、昼夜温差大、太阳辐射强的施工环境，对早期混凝土温度效应影响较大。浇筑仓表层混凝土温度变化剧烈，内部混凝土温度变化缓慢，从内至外可能存在较大的温度梯度，进而引起较大的拉应力。由于混凝土早期强度低，产生的拉应力极有可能超过相应龄期浇筑仓的抗拉强度。目前，孔口研究大多集中于运行期应力分布规律及对拱坝整体的影响，然而孔口施工期温度边界属性确定更为复杂，开裂风险更大。因此，针对孔口这种大坝中的特殊结构，研究其在施工期温度发展历程并采用合适的温控措施就显得至关重要。为保证大坝施工质量，施工前需对大坝孔口底板、侧墙和顶板部位温度进行监测，从而实时对温控措施进行调整。然而，目前鲜有考虑太阳辐射热的拱坝孔口浇筑仓温控仿真方面的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供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，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，计算精度较高，较好的表现出太阳辐射热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。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

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，该方法包括以下步骤：

步骤1：建立拱坝孔口的有限元仿真模型；

步骤2：依据拱坝孔口浇筑仓内埋设的温度计，采集不同深度处的混凝土日平均温度，依据计算获得的混凝土表面日平均温度和日平均温度梯度，建立拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式；

步骤3：考虑太阳辐射热影响，基于浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式，将太阳辐射热等效为气温增量，与现场实测气温形成综合等效气温；

步骤4：计算拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土各个时刻所吸收的太阳辐射热实际值，并将其作为步骤1所建立的拱坝孔口的有限元仿真模型的第三类传热边界条件，再结合综合等效气温以及冷却通水影响，代入步骤1建立的拱坝孔口的有限元仿真模型中，即完成考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建。

步骤1的建立步骤为：

步骤1-1：确定拱坝孔口的浇筑计划：依据实际施工中孔口部位浇筑仓的开仓时间、收仓时间、浇筑历时及间歇期，确定各仓浇筑进度；

步骤1-2：确定坐标系：选取横河向为x轴，顺河向为y轴，铅直方向为z轴；

步骤1-3：建立拱坝孔口的有限元仿真模型：依据拱坝孔口浇筑仓的形状尺寸，在已定的坐标系上建立混凝土坝体孔口部位混凝土浇筑块实体模型并对实体模型进行有限元网格剖分，即完成拱坝孔口的有限元仿真模型的建立。

步骤2的详细步骤为：

步骤2-1：假设在浇筑仓表面附近按照由近到远埋设了3支点温度计a、b、c，其当日的实测平均温度分别为T

T

式中：T

步骤2-2：拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式：假设混凝土表面温度为T

式中：R为一天内吸收热量的平均值；β为混凝土的表面放热系数；T

步骤3中的详细步骤为：

综合等效气温是指，太阳辐射热气温增量与现场实测气温之和，为此建立计算表达式

T

式中：T

步骤4中，将计算出的拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土浇筑仓的综合等效气温T

式中：q为热流量；λ为导热系数；τ为时间；

步骤4中，确定冷却通水影响计算表达式：在一期通水冷却阶段，往往换挡多次进行冷却，为此建立冷却通水影响计算表达式：

T(t)＝T

式中：e为数学中的自然常数，T

步骤4中，将公式(3)中日平均吸收太阳辐射热等效为公式(4)中综合等效气温，考虑式(5)中第三类传热边界条件和式(6)～(8)中冷却通水影响，基于ANSYS软件，编写APDL程序设计语言，实现参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解，代入步骤1建立的拱坝孔口的有限元仿真模型中，即完成考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建。

步骤4的处理过程为：

步骤4-1：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r

步骤4-2；根据拱坝孔口浇筑仓的形状和尺寸，在CAD软件中建立孔口部位混凝土浇筑仓的实体模型，从该CAD模型中提取坐标值，导入到ANSYS中，在有限元软件ANSYS中的前处理器中，按照步骤1-2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1中的拱坝孔口有限元仿真模型。将获得的日平均温度梯度

本发明提供的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，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，对施工期混凝土的温度场进行准确模拟仿真分析，通过实测温度数据校验模型的准确度，分析浇筑仓混凝土温度变化，为拱坝孔口混凝土高温季节浇筑温控措施提供参考；计算精度较高，较好的表现出太阳辐射热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。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例一步骤1拱坝孔口的导流底孔模型示意图；

图2为本发明实施例一步骤1所建立的拱坝孔口建立拱坝孔口有限元仿真模型示意图；

图3为本发明实施例一步骤2中太阳辐射热的余弦分布图；

图4为本发明实施例一步骤2中混凝土表面温度示意图；

图5为本发明实施例二距底板表面0.2m测点温度计算与实测对比图；

图6为本发明实施例二距侧墙表面0.2m测点温度计算与实测对比图；

图7为本发明实施例二距侧墙表面0.4m测点温度计算与实测对比图；

图8为本发明实施例二距侧墙表面0.6m测点温度计算与实测对比图；

图9为本发明实施例二距侧墙表面0.8m测点温度计算与实测对比图；

图10为本发明实施例二拱坝孔口19#-030仓中心测点温度计算与实测对比图；

图11为本发明实施例二拱坝孔口仓中心测点温度计算与实测对比图。

具体实施方式

实施例一

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，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据拱坝孔口建立拱坝孔口有限元仿真模型，拱坝孔口的浇筑仓内埋设有温度计，拱坝孔口主要用于过水，由侧墙、底板、顶板、牛腿等结构构成，其导流底孔模型如图1所示；

具体建立步骤为：

步骤1-1：确定拱坝孔口的浇筑计划：依据实际施工中孔口部位浇筑仓的开仓时间、收仓时间、浇筑历时及间歇期，确定各仓浇筑进度；

步骤1-2：确定坐标系：选取横河向为x轴，顺河向为y轴，铅直方向为z轴；

步骤1-3：建立拱坝孔口有限元仿真模型：依据拱坝孔口浇筑仓的形状尺寸，在已定的坐标系上建立混凝土坝体孔口部位混凝土浇筑块模型并对模型进行有限元网格剖分，即完成拱坝孔口的有限元仿真模型的建立，如图2所示。

步骤2：依据拱坝孔口浇筑仓内埋设的温度计，采集不同深度处的混凝土日平均温度，依据计算获得的混凝土表面日平均温度和日平均温度梯度，建立拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式；

步骤2的详细步骤为：

步骤2-1：获得拱坝孔口混凝土表面日平均温度T

假设在浇筑仓表面附近按照由近到远埋设了3支点温度计a、b、c，如图4所示，其当日的实测平均温度分别为T

T

式中：T

步骤2-2：建立拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式：

本实施例中，假设单位时间内在单位面积上晴天的太阳辐射热为S

S＝S

式(3)中，S为阴天太阳辐射热；S

设太阳辐射的热量为S，被混凝土吸收的热量为R，则剩下被混凝土反射的热量为S-R，有：

R＝α

式(4)中，α

考虑太阳辐射后的边界条件为：

或

式(5)和式(6)中，β为混凝土的表面放热系数；λ为混凝土的导热系数；n为法向方向单位矢量，

对比上述两式可得：

ΔT

式(7)中，ΔT

假设太阳辐射热在一天之内的分布规律满足余弦分布，如图3所示；可用公式表达为：

积分后可知：

A

式(8)和式(9)中，τ为一天当中的不同时刻；A

表1 P

结合上述公式，可得：

式(10)中：ΔT

假设在混凝土浇筑仓表面附近埋设了3支点温度计a、b、c，其混凝土表面温度示意图如图4所示，利用三只温度计的日平均温度进行太阳辐射热的反馈，假设当日3支点温度计的实测平均温度分别为T

式(11)中：R为一天内吸收热量的平均值；β为混凝土的表面放热系数；T

步骤3：考虑太阳辐射热影响，基于步骤2建立的拱坝孔口混凝土浇筑仓日平均吸收太阳辐射热表达式(11)，通过公式(7)将太阳辐射热R等效为气温增量ΔT

T

式(12)中：T

步骤4：计算拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土各个时刻所吸收的太阳辐射热实际值，并将其作为步骤1所建立的拱坝孔口有限元仿真模型的第三类传热边界条件，再结合综合等效气温以及冷却通水影响，代入步骤1建立的拱坝孔口有限元仿真模型中，即完成所述考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算模型的构建；

步骤4的详细步骤为：

步骤4-1：计算拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土各个时刻所吸收的太阳辐射热实际值，并将其作为步骤1所建立的拱坝孔口的有限元仿真模型的第三类传热边界条件如下：

式(13)中：q为热流量；λ为导热系数；

步骤4-2：在一期通水冷却阶段，往往换挡多次进行冷却，为此建立冷却通水影响计算表达式：

T(t)＝T

式(14)～(17)中：e为数学中的自然常数，T

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r

步骤4-3：根据拱坝孔口浇筑仓的形状和尺寸，在CAD软件中建立孔口部位混凝土浇筑仓的实体模型，从该CAD模型中提取坐标值，导入到ANSYS中，在有限元软件ANSYS中的前处理器中，按照步骤1-2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1中的拱坝孔口有限元仿真模型；将获得的日平均温度梯度

步骤4-1的详细步骤为：(计算拱坝孔口流道侧墙及底板部位表层混凝土各个时刻所吸收的太阳辐射热实际值q)

步骤4-1-1：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，为此建立了热传导公式表达式

式(18)中T为混凝土温度，℃；τ为时间，h；a为导温系数，m

步骤4-2-2：定义边界条件：坝体在水面以上与空气接触的边界按第三类边界条件处理，太阳辐射热与现场实测气温形成综合等效气温按第三类边界条件处理；

步骤4-2-3：建立第三类传热边界条件表达式：当混凝土与空气接触时，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T

式(19)中：

实施例二

本实施例中，距浇筑仓表面不同深度处的混凝土日平均温度T

表2流道底板位置太阳辐射热反馈表

表2中，T

表3流道侧墙位置太阳辐射热反馈表

表3中，T

凝土浇筑仓温度场主要受环境气温和太阳辐射热的影响，本实施例中将太阳辐射热等效为气温增量，与气温形成综合等效气温作为第三类传热边界条件施加。气温增量及综合等效气温计算结果见表4、表5：

表4流道底板综合等效气温计算结果表

表5流道侧墙综合等效气温计算结果表

本实施例依据表4、表5计算结果，确定仿真计算模型的边界条件及参数取值，将得到的参数代入建立的考虑太阳辐射热的白鹤滩大坝孔口浇筑仓有限元仿真计算模型。

实施例二(验证实施例)

通过仿真计算孔口混凝土表层和中间点温度，并与现场实测混凝土温度进行对比，验证考虑太阳辐射热的拱坝孔口仿真计算的准确性：

实施例二通过仿真计算，将实施例一的仿真计算结果与实测结果进行对比，计算结果见5-图11所示，从图5-图11可知：

1、在考虑太阳辐射后，距离流道侧墙表面0.2m位置的混凝土最高温度与实测34.49℃相差仅0.94℃，达到最高温度的龄期差为0.5d；距离流道侧墙表面0.4m位置的混凝土最高温度与实测35.15℃相差仅0.7℃，达到最高温度的龄期差为0.5d；距离侧墙0.6m位置的混凝土最高温度与实测最高温度34.5℃相差仅0.25℃，达到最高温度的龄期相差0d；距离侧墙表面0.8m位置的混凝土最高温度与实测最高温度33.71℃相差仅0.1℃。

2、在考虑太阳辐射后，距离流道底板顶面0.2m位置混凝土温度达到最高温度的龄期与实测相差0d。

3、底板浇筑时所受的太阳辐射影响比侧墙浇筑时所受的小。

4、在考虑太阳辐射后，流道两侧仓中部温度曲线吻合较好，最高温度相差较小。

5、考虑太阳辐射后的孔口混凝土浇筑仓有限元模型计算精度较高，较好的表现出太阳辐射热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。

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。