作者简介：范吉明（1961-），男，高工，主要从事建筑施工技术和管理工作
通讯作者：强晟（1977-），男，副教授，博士，主要从事混凝土温控防裂的研究
摘要：目前专门用于混凝土施工期温控防裂辅助分析软件较少，而通用的商业有限元软件往往要经过二次开发才能对施工期混凝土结构常用的温控措施进行精确仿真，在成熟的温度场及应力场有限元计算程序基础上，采用VC、Fortran语言和OpenGL图形库编制了便于人机交互的混凝土结构施工期温控仿真分析软件。介绍了该软件研制方法，各模块构成及主要功能。工程技术人员可以方便的采用该软件对各种拟定的温控方案进行仿真及对比分析，从而优选出经济可靠的温控方案，提高结构的质量。
关键词：混凝土温度场应力场施工仿真软件
中图分类号：TV315文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)06(c)-0000-00
目前，大体积混凝土结构已在国内外很多大型水利、交通等工程中得到了广泛的应用，其施工期防裂问题日趋受到关注。但目前专门用于混凝土结构温度场及应力场的仿真计算软件较少。商业软件如 ANSYS、Marc等，其通用性很好，但针对性较差。这些软件虽可以模拟混凝土结构温度场及应力场问题，但对于影响因素较多的实际工程中混凝土结构温度场及应力场计算实现较困难，对实际工程中的温控措施进行精确的仿真需要对该软件的做相应的二次开发[1]，对于一般的工程技术人员开展这类工作则很困难。针对该问题，在成熟的Fortran温度场应力场计算程序基础上，结合以往工程经验，开发了基于窗口操作的大体积混凝土温控仿真辅助分析软件TCAS。本软件专门性强，操作简单，界面友好，可以根据实际工程的具体结构特点及施工特点对混凝土结构温度场及应力场进行高精度仿真计算，广大的工程技术人员可以利用该软件对混凝土结构的各种拟定温控方案进行仿真计算对比分析，优选出经济有效的温控防裂措施，减少混凝土结构裂缝，提高混凝土结构的安全性能。
1 基本原理与技术
1.1基本计算原理
基本计算原理包括温度场和应力场的计算。温度场的核心计算方法是采用混凝土非稳定温度场的有关计算理论和有限元方法[1]。仿真计算中可以模拟混凝土气候条件、浇筑温度控制、外部保温、分缝分块等措施。水管冷却计算模型能够迭代计算冷却水管沿程水温的变化，计算结果与实际情况更加接近，其计算精度能够满足实际工程的需要。
在应力场计算时，考虑了徐变、自生体积变形、温度变化、自重等外部荷载，具体算法采用文献[1]中推荐的应力增量法。根据这种方法，计算出每一时间步的节点位移增量，从而可以计算出节点应变值及应力值。
1.2面向对象技术及开发工具
面向对象方法是随着面向对象程序设计的发展而逐步形成的。由于它强调要按照现实世界的本来面貌构造系统，以对象作为构造系统的基础，并建立了一套描述对象及其相互关系的概念和图形工具，提出了一套符合人类认识规律的方法，从而为解决软件开发中存在的一些问题和软件复用提供了可能[2]。
在软件编码实现时，采用目前在面向对象领域内广泛应用的C++ 语言来构建软件系统[3]。C++语言兼顾C语言及面向对象风格，为利用已有完善的程序代码资源加快软件开发进度，其中部分模块的程序由Fortran 编制，由于这些模块是功能完整的单元，而且用面向对象技术重构，因此对软件的稳定性影响不大。借助于OpenGL来实现有限元软件中所有的模型及结果的显示问题。OpenGL是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植，可与Visual C++紧密接口，便于实现有关计算和图形算法。
1.3 混合编程及数据共享
由于软件开发是在现有面向过程的Fortran程序包基础上进行，需要对已有的程序代码进行必要的模块化改造，利用VC++调用已有的Fortran 子程序。调用Fortran 方法较多，但是对已有Fortran 程序修改最小的方法是将Fortran 程序编译为动态链接库（dll）文件，然后在VC++中调用包含Fortran 函数的dll文件。两种编程语言间数据共享问题是一个无法回避的重要问题，本软件在开发过程这种问题尤其突出，由于混凝土浇筑过程中计算模型不断变化，信息量变化较大，所以C++与Fortran 之间共享数据量较大。本软件采用文献[4]提出的数据模块共享方法，用于数据在主程序和动态链接库之间的共享。
2软件基本框架及模块功能介绍
TCAS 界面友好操作简单，界面由主窗口及后台输出窗口两个窗口组成，主窗口包含所有操作功能菜单和树形菜单，后台输出窗口主要是计算过程和部分操作过程的后台信息输出，可以用来检查过程中的错误。软件的主要模块包括：前处理模块、后处理模块、计算模块、辅助分析模块，帮助模块构成。主要模块功能均从树形菜单开始进行操作，见图1。
2.1前处理模块及主要功能
前处理模块主要功能包括混凝土结构有限元模型的建立、冷却水管二次剖分、混凝土及地基材料的定义及对相应网格模型赋值、混凝土结构浇筑层划分、混凝土浇筑过程设计、通水冷却设计、保温方案设计等，见图2。有限元模型的建立主要是通过建立超单元的方法进行（见图3），为了便于计算，模型网格尽可能剖分成为六面体单元。为了便于使用本软件设计了材料定义界面，结合“选择”功能，可以方便地对所剖分单元赋值材料性质；在实际工程中混凝土结构大部分是多层浇筑完成的，可以利用软件的“浇筑层定义”及“浇筑过程设计”功能来模拟该过程，利用“选择”工具，整个模型所有单元均可赋予相应的层号，借助浇筑过程设计可以赋予每个浇筑层相对应的“浇筑时间”及“浇筑温度”等信息；对浇筑仓面以及结构侧面保温的模拟通过设置不同放热系数实现，借助于“保温方案”可以根据实际提供或者反演得到的保温材料放热系数，设置边界热学条件；通水冷却过程的模拟主要借助“通水冷却方案设计”这个功能来实现，可以根据实际的通水过程设计相应的通水时间、通水温度、以及换向时间等参数。上文所提及的其他温控措施均可以通过调整各种参数对其进行仿真。
图2 主要模块的树形菜单 图3 前处理形成超单元的输入方式
2.2计算模块及主要功能
计算模块主要包含了计算“步长设计”、“温度场计算”，“温度应力场计算”三个功能。由于采用了温度场采用了隐式解法应力场采用了增量法，故需要在计算中是设置计算步长。为了满足混凝土结构工程的特点及结合多年温控计算经验，本模块在开发过程中预定了步长计算划分方案，用户只需输入地基及上部混凝土结构计算总时间，软件会自动根据加层信息及冷却信息等资料分析计算出合理的步长分配；为了适应反演计算工作的需要，本程序设计了“温度场计算”，“温度应力场计算”两种计算模式。前者只计算温度场，主要用于根据实验参数人工反演各个主要的热学参数。后者可进行完整的温度场及应力场计算工作。
2.3后处理模块及主要功能
后处理模块的主要功能有：特征点及特征截面定义、特征点温度和应力历时曲线绘制、特征截面温度和应力等值线绘制等。在混凝土温控仿真计算结果分析过程中，需要选择一些重点“部位”或者重点截面进行分析，利用后处理模块中的“特征点及特征截面定义”功能可以方便的定义特征点及特征截面；根据定义的特征点坐标，以及“变量类型”、“起止时间”等参数，利用“特征点历时曲线功能”可以方便的绘制出包括温度及各种应力在内的单点及多点历时曲线。根据三点定义的特征截面，以及“特征时间”、“变量类型”等参数，可以方便地绘制出特征截面的等值线等信息，同时可以自由设置等值线的密度及等值线的绘制方案。
3 结语
借助于面向对象编程开发工具Visual C++ 6.0，以及图形库OpenGL，对成熟的温度场和应力场计算Fortran 程序包进行全面集成以及面向对象化改造，制作了基于界面操作的专门针对施工期混凝土温控的辅助分析软件，降低了混凝土温控仿真计算的难度，使得工程技术人员能够方便地进行实时仿真分析计算。
参考文献
[1] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1998.
[2] 秦卫星.岩土应变局部化数值模拟研究与软件开发[D].武汉大学博士学位论文,2006.4.
[3] 余卫平.三维有限元前后处理技术研究及其图形系统的面向对象开发[D].武汉大学硕士学位论文,2002.5.
[4] 毕苏萍,周振红.Fortran与C/C++共享模块中的数据和例程[J].郑州大学学报(工学版),2008,29(3):99-101.