1.3 混凝土温控研究进展
自混凝土19世纪诞生起，裂缝问题就一直困扰着工程界。但是直到20世纪初期，水工混凝土得到广泛使用，混凝土的温控防裂研究才引起足够的重视。
在大体积混凝土结构温度场及温度控制系统研究方面，国外起步较早。20世纪30年代中期，美国修建当时世界最高的重力拱坝胡佛坝（Hoover Dam）（坝高221.4m）时，对坝体温度状况就进行了系统的研究［4］，采用分块浇筑和预埋冷却水管等措施解决散热问题，取得了很多成果。之后，苏联、巴西等国对大体积混凝土的温度控制标准、温度控制措施及裂缝问题也做了深入的探讨。在20世纪60年代，美国在水工大体积混凝土温控防裂方面有了比较定型的设计、施工模式，具体内容包括混凝土掺用水化热较低的水泥、限制浇筑层厚度和浇筑间歇期、混凝土中预埋冷却水管、人工冷却方法降低混凝土的浇筑温度和对新浇混凝土进行表面保温并延长养护时间等措施［5-7］。到20世纪60年代末及70年代初，由美国陆军工程师团建造的工程基本上都没有出现严重危害性裂缝；苏联关于温控的研究技术也很早［8-11］，20世纪70年代建造托克托古尔重力坝（Toktogul Dam）时，采用的“托克托古尔法”是温控防裂方面的巨大成功［3］。此法的核心就是整年采用自动上升的帐篷，冬季施工有加热设备创造人工气候，夏季遮阳，自始至终在帐篷内浇筑混凝土。
用于混凝土温度控制计算的方法主要有近似解析法、数值解法、理论解析法等［13-14］。理论解析法和近似解析法只能解决边界简单的问题，具很大的局限性，不适用于水工建筑的复杂结构。而数值解法则没有局限性，可以求解各类边界，加之求解的速度与精度伴随着近年计算机的飞速发展得到了大幅度的提高，因此，基于数值解法的仿真计算已经成为温度应力场计算的主要方法。差分法和有限单元法是目前数值解法的两个常规方法，在实际工程的温度应力仿真分析中，目前大多采用有限单元法。
20世纪60年代末，美国加州大学的E.L.Wilson教授［15］研制的有限元仿真程序DOT-DICE是最早的用于混凝土温度应力计算的程序，能够模拟大体积混凝土结构分期施工、温度、徐变影响的应力二维有限元过程，该程序成功地应用在德沃歇克坝（Dworshak Dam）温度和应力的计算中。1985年，美国陆军工程师团的工程师S.B.Tatro和E.K.Schrade［16］进一步修改了该程序，将其用于美国第一座碾压混凝土坝——柳溪坝（Willow Creak Dam）的温度场分析，他们第一次把结构计算与施工过程结合起来，用逐步递推的方法，求出了不同时期坝体的温度场，且计算结果和实测结果吻合得相当好，该项研究成果被认为是温度场有限元仿真分析的最先文献。只是鉴于施工过程问题的复杂性，当时很难提出一个可靠的弹性模量和徐变随时间变化的关系。直到20世纪90年代，巴瑞特等［17］才编制了三维温度和徐变作用的应力场分析软件ANACAP［18］，该软件在大坝温度应力仿真分析中成功地运用了Bazant［19］的Smeared Crack开裂模型。ANACAP软件能逐层模拟计算施工期混凝土坝的应力场，只是受当时计算机硬件水平的限制，因而只是尝试性的计算分析。之后各种分析软件相继推出，特别是近年来，随着计算机技术的飞速发展，各种商业软件如ANSYS、ADINA等得到广泛推广应用，只要与温度应力有关的材料参数的精度足够，就能得到满足实测精度的温度应力［20，21］。
国内方面，以朱伯芳院士、潘家铮院士等为首的一批专家在水工大体积混凝土结构的温度应力场计算及温控防裂方面也做出了突出的贡献，进行了比较全面深入的研究，达到了国际领先水平。他们在大体积混凝土结构温度控制和设计方面建立了整套理论［3，22-23］，解决了混凝土重力坝浇筑块的温度应力计算，拱坝的温度荷载、水泥水化热的绝热温升计算，混凝土浇筑块的临界表面热交换系数、混凝土弹性变形、徐变与应力松弛，混凝土钢架与钢筋混凝土构件温度应力以及碾压混凝土重力坝和碾压混凝土拱坝的温度应力计算与温控方法等问题，并分别用差分法、有限元法和数理统计求解法对混凝土结构的温度应力场进行了研究，提出了解决各种边界条件和初始条件下的嵌固板、自由板、圆形隧洞、拱坝、支墩坝、重力坝等温度应力的解析解法。朱伯芳院士［24］早在1956年就发表了《混凝土坝的温度计算》一文，其后一直对大体积混凝土温度应力与温控这一问题进行研究，其大量研究成果集成于文献［3，25-26］，其中的一些算法为我国发展温度应力场仿真计算提供了理论基础。在仿真程序开发方面，早在1972年，朱伯芳与宋敬廷合作，编制了我国第一个二维有限元弹性徐变温度应力仿真程序，为三门峡改建、乌江渡、葛洲坝、龙羊峡等工程提供了大量计算成果。20世纪80年代，丁宝瑛、王国秉、胡平等［27-29］开发出了三维有限元徐变应力程序初步版本，并于20世纪末逐步开发完善，包括库水温度计算和三维徐变应力分析的有限元程序包，曾用于东风、二滩等大量工程的温度应力场仿真分析和温控措施研究。20世纪90年代初，张国新开发出了温度场温度应力仿真分析软件Saptis的第一个版本，在应用中不断扩充功能，完善计算能力。现已开发成可对大型工程进行整体仿真计算，可模拟混凝土开裂及整体非线性破坏等完整的结构非线性仿真分析系统，包括网格自动剖分、跳仓浇筑等施工信息的自动生成等前处理，施工过程中温度应力的实时仿真分析，结构极限承载力及结构破坏的非线性模拟等分析功能。该程序已用于三峡、龙滩、光照、小湾、溪洛渡、锦屏、拉西瓦等高坝的温度场应力场仿真分析和极限承载力非线性分析［30-32］。
近年来，朱伯芳又提出了“半熟龄期”的概念以便于调节与控制混凝土绝热温升（或强度）达到终值的1/2时的龄期，达到提高抗裂能力、减小温度应力的目的；同时，致力于从施工期到运行期全过程的基于仿真分析的安全评估方法［33-35］及运行期大坝工作形态全面的监控。自汶川地震发生之后，大自然给防裂提出了新的要求，关于水工结构抗裂性能方面要更加予以重视［36-38］。
开展混凝土温度应力方面研究的单位很多，具有代表性的有中国水利水电科学研究院、清华大学、河海大学、天津大学、武汉大学、大连理工大学、西安理工大学、三峡大学等［39］。
河海大学在20世纪70年代后期开始进行混凝土结构施工期温度场、徐变应力场的分析工作，1990—1992年间进行了小浪底水利枢纽进水塔从施工期到运行期全过程仿真的三维有限元程序系统（TCSAP）的研制，并且将国际上流行的虚拟裂缝模型推广应用到长期变温荷载作用下的施工期软化开裂分析［40-41］；“七五”期间曾结合国家自然学基金项目与重点攻关项目先后承担了京杭运河船闸施工期温度应力计算和东风拱坝施工期温度应力与裂缝稳定分析［42］。
为兼顾精度和效率，节省计算机贮存量，使大型实际混凝土结构温度应力场的计算成为可能。针对碾压混凝土坝与常规混凝土坝大为不同的施工方式和材料特性以及碾压混凝土坝三维仿真计算所需时间长、规模大等特点，“八五”“九五”期间历时10年攻关，我国的科学家和工程师们提出了一系列有效的计算方法［43］，如河海大学朱岳明等［44］提出的“非均质层合单元法”，朱伯芳院士［45］提出的“并层算法”，西安理工大学陈尧隆等［46］提出的“浮动网格法”以及武汉水利电力大学王建江［47］提出的“非均质单元法”，还有黄达海等［48］提出的“波函数法”和刘宁［49］的子结构技术等。上述算法均以降低混凝土坝解题规模和提高计算速度为主要目标，就其计算结果而言都各有千秋。
其他方面，丁宝瑛等在温度应力计算中考虑材料参数变化的影响，如温度对混凝土热学性能参数、力学性能参数的影响和混凝土拉压徐变不相同的影响等［50］。刘光廷、麦家煊等［51-52］提出将断裂力学应用到混凝土表面温度裂缝问题的研究中，利用断裂力学原理和判据来分析在温度变化条件下混凝土表面裂缝性能和断裂稳定问题。曾昭扬等［53］系统地研究了碾压混凝土拱坝中的诱导缝等效强度、设置位置、开裂可靠度等问题，其成果直接被应用到沙牌碾压混凝土拱坝现场施工中。黄淑萍等［54］较为深入地研究了碾压混凝土层面的温度徐变应力状况。张国新等［55］在用边界元方法计算碾压混凝土坝结构方面取得了一些进展。天津大学赵代深、李广远［56-57］结合国家攻关项目在混凝土坝全过程多因素仿真方面取得了一些出色成果。大连理工大学黄达海、高政国等［58］结合沙牌碾压混凝土拱坝温度场进行了仿真计算，并推荐了上下层结合面初温的赋值方法。四川联合大学李国润［59］研究了不同浇筑速度对温度应力的影响以及用现场测定的基岩各向异性热学参数分析混凝土基础温度徐变应力。河海大学朱岳明等［60-65］在温度应力仿真方面也取得了大量成果，完成了许多温控防裂研究方面的科研项目。国外在热力学参数确定和裂缝发展问题上也有很大的突破，Kook-Han Kim、P.Morabito、Japan Concrete Institute等［66-71］都通过试验对导热系数及热交换系数的影响因素进行研究，力求推出关于诸多因素的简便经验公式。鉴于裂缝发展的复杂性，裂缝发展问题目前大部分停留在试验方面［72-73］，特别对于钢筋混凝土结构来说，有必要进行进一步研究。
氧化镁（MgO）微膨胀混凝土能很好地补充温降过程产生的干缩应变，MgO既是有利的东西，也是有害的，关键是掌握其规律性，兴利除弊是近年来较为关注的一个课题，在国外研究的较少［74-75］，在该领域吴中伟院士是我国的先驱，他在膨胀混凝土的性能、补偿收缩原理及模式和膨胀混凝土的应用设计方面提出了许多独特见解和理论方法［76-77］，李承木［78］也提出一个任意温度下的体积变形经验公式，梅明荣［79］也在该领域做了一些尝试性的工作，在工民建等领域的很多工程中得到运用。中国水利水电科学研究院的朱伯芳院士、丁宝瑛和张国新［80-83］在掺MgO混凝土温度补偿收缩计算方面也取得了一定进展。但目前就MgO膨胀机理的认识还不够深入，它对混凝土强度影响有多大，二次膨胀问题，如何掺、掺多少等方面仍存在一些分歧，MgO混凝土在水工领域中的广泛应用还有很多的工作要做，目前仅是处于不断完善的阶段。
水管冷却得到广泛应用源自于20世纪30年代初，美国内务部垦务局在设计当时世界最高的混凝土重力拱坝胡佛坝（Hoover Dam）时，对混凝土坝人工冷却方法进行了研究，欧威希坝（Owyhee Dam）现场试验证明了水管冷却技术在温控上十分有效，是一项重要的温控措施［84］。因此，从理论上获取水管冷却效果的精确计算方法，并使之为工程应用服务，是国内外研究的一个重要课题。20世纪60年代，朱伯芳针对简单边界问题一期冷却的计算方法，用积分变换得到了有热源平面问题的严格解答和空间问题的近似解答［85-86］，提出了水管冷却的有限元分析方法［87-88］，以及考虑水管冷却的等效热传导方程［89］，该方法可以在平均意义上把水管当成负热源，布置稀疏的网格，得到近似温度场；美国内务部垦务局［90］研究了二期冷却的计算方法，用分离变量法得到了无热源平面问题的精确解答和空间问题的近似解答，蔡建波教授等采用杂交元法求解有冷却水管的平面非稳定温度场；为了加快计算的速度及减少计算工作量，刘宁、刘光廷［49］提出在水管一定范围内采用子结构技术，并提出了水管周围单元网格的处理措施；麦家煊［91］则提出把冷却水管的解析方法和有限元法结合起来计算，即在混凝土内部一定范围内采用解析解，其他部位则用有限单元法求解；刘勇军提出了冷却水管仿真计算的自生自灭单元法［92］；朱岳明等［93］提出了能精确仿真计算冷却水管问题的考虑沿程水温变化的三维有限元计算法。国外关于带有水管的混凝土温度场精密计算研究也很多，其中比较突出的是K.A.Antonopoulos［94-95］。另外，关于水管的对流热交换系数，Hans Hedlund和Patrik Groth［96］进行了大量的试验研究，并有许多关于冷风进行混凝土冷却的工程实例［97-98］。
在冷却水管的工程应用方面，朱伯芳研究过高温季节进行水管冷却的坝块表面保温问题［99］；60年代，Stucky和Derron研究过水管布置方式对冷却效果的影响［100］，以致后来很多学者对此进行研究［101-104］；董福品［105］用解析方法求得了考虑表面散热影响的水管冷却等效方法；丁宝瑛［106］讨论了大体积混凝土管壁温差的确定，指出如果管壁周围温度梯度过大，将可能导致水管周围出现裂缝；陆阳、陆力［107］着重讨论了混凝土后期冷却的优化控制；赵代深、侯朝胜和李梅杉［108］对接缝灌浆水管冷却进行了研究；刘有志等［109］也曾就大坝水管冷却期间的优化通水方案提出了一些见解。
总结以上文献可以看出，在水工混凝土温度场与徐变应力场仿真分析技术上，我国已经处于世界先进水平甚至领先水平，随着人们对混凝土材料特性、温控防裂措施认识的进一步加深以及现代坝体施工技术、实验设备等方面的进一步完善，水工混凝土温控防裂问题在不久的将来有望得到彻底的解决。