水工混凝土建筑物一般体积都很大,而且由于施工和结构上的需要,常常是大块浇筑。混凝土中的水泥在水化硬结过程中,会发生数量可观的水化热,使混凝土在浇筑后的几天内,内部温度很快上升,当达到最高温度后温度开始下降。但因混凝土是一种导热性能极为不良的材料,如果任其自然散发,有时需要上十年甚至上百年的时间,坝体内部的温度才会达到稳定温度。从工程及时受益的要求来看,需要采取人工冷却措施来降低坝体混凝土的温度。另外,混凝土温度的大幅变化也可能会使混凝土产生表面裂缝或深层贯穿裂缝,这对于结构作用和建筑物防渗都是不利的,也需要采取人工冷却措施来降低坝体混凝土的温升。 混凝土坝的人工冷却方法有很多种,在工程实践中采用最多的是埋设冷却水管。根据降温的阶段目的,冷却水管的整个运行过程可分为两期,即初期冷却和后期冷却。初期冷却是在混凝土初凝以后,甚至常在混凝土浇筑时即行开始,目的在于削减混凝土水泥水化热峰值,减少水化热引起的温差,从而降低由水化热温差引起的温度应力,满足允许温差的要求。后期冷却在水泥水化热作用已基本完结之后的某一时间开始,目的在于使混凝土温度降到接缝灌浆所需的稳定温度。 由冷却水管的使用过程可以看出:冷却水管的初期冷却往往与混凝土浇筑层的散热结合在一起,其降温冷却效果的影响因素较多,控制标准严格。这就使得我们不能采用传统的方法,而必须借助于有限单元法来分析初期水管冷却的温度计算问题。 自上世纪30年代美国在胡佛坝首次采用水管冷却以来,随着这种冷却方式的广泛采用,经过各国学者的努力,有关水管冷却作用的温度计算问题,相继得到了解析解答和数值解答。在最初一段时间,由于受到计算方法和计算机运算速度、内存容量的影响,对水管冷却作用的温度计算问题多采用平面有限单元法进行分析计算。在这方面,朱伯芳、蔡建波提出用杂交单元来进行求解;陈里红、傅作新提出用随施工过程不断变化的粗细结合的多重有限元网格法来进行单元网格的划分,进而进行求解。 近年来,我国在研究大体积混凝土结构全过程温度场和温度徐变应力场有限元计算方面做了大量开创性的工作。在温度场分析中,冷却水管的降温作用主要是采用中国工程院院士朱伯芳提出的等效算法。