短周期溫度荷載對大壩混凝土表面溫度應(yīng)力影響研究

康志亮，卓已峰，葉發(fā)金，王振紅，汪娟

摘要：為探究外部環(huán)境變化形成的短周期荷載對混凝土外觀、質(zhì)量、蓄水等的影響，以周寧抽水蓄能電站碾壓混凝土大壩為例，借助三維有限單元法，對晝夜溫差和寒潮引起的碾壓混凝土重力壩表面溫度應(yīng)力變化進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：加強(qiáng)保溫可以明顯削減短周期溫度荷載的影響，防止裂縫產(chǎn)生；寒潮對混凝土表層影響范圍更深，約為1.4～1.6 m。研究成果可幫助制定混凝土溫控防裂標(biāo)準(zhǔn)，對短周期溫度荷載影響較大區(qū)域的工程施工具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：大壩混凝土； 溫度荷載； 溫度應(yīng)力； 晝夜溫差； 寒潮

中圖法分類號：TV315? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.013

文章編號：1006-0081（2024）03-0077-06

0引言

大壩等大體積混凝土已發(fā)展出了一套溫度控制、防止大壩裂縫的理論體系與混凝土溫控防裂方法和措施［1-4］，如改善混凝土配合比、增加混凝土抗裂能力、減小約束程度、控制最高溫度和降溫速率等，但大壩混凝土裂縫仍時(shí)有產(chǎn)生［5］。碾壓混凝土筑壩技術(shù)迅速發(fā)展，也因其獨(dú)特施工工藝而得到廣泛應(yīng)用，但施工期和運(yùn)行期裂縫影響大壩的外觀和質(zhì)量。在混凝土的配合比和材料性能方面，可以選擇較好的材料，也可通過相關(guān)措施控制內(nèi)部過高的溫度，減小基礎(chǔ)溫差導(dǎo)致的內(nèi)部裂縫。但環(huán)境溫度的影響很難消除，且冬夏差距較大，直接影響壩體的溫度和應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生［6］。

晝夜溫差和寒潮等短周期溫度荷載易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，加強(qiáng)表面保溫是防止短周期溫度荷載的最有效方法［7-11］，它不但可降低水泥水化熱等長周期荷載的影響，也可削減晝夜溫差、減輕寒潮等短周期冷擊 ［12-16］。保溫措施力度的大小一般可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到［17-19］，但經(jīng)驗(yàn)公式不能得到短周期荷載影響深度、削減的溫度變化幅度與降低的溫度應(yīng)力大小。因此，本文以周寧抽水蓄能碾壓混凝土大壩為依托，研究東南沿海地區(qū)晝夜溫差和寒潮冷擊等環(huán)境溫度變化對混凝土表面的影響深度和改善的溫度應(yīng)力狀況。

1計(jì)算原理與方法

1.1溫度場理論

在計(jì)算域R內(nèi)任何一點(diǎn)處，不穩(wěn)定溫度場T（x，y，z，t）須滿足熱傳導(dǎo)方程［1］：

Tt=a2Tx2+2Ty2+2Tz2+θτ（1）

式中：T為溫度，℃；a為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；θ為混凝土絕熱溫升，℃；t為時(shí)間，d；τ為齡期，d。

1.2應(yīng)力場理論

混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變增量包括彈性應(yīng)變增量、徐變應(yīng)變增量、溫度應(yīng)變增量、干縮應(yīng)變增量和自生體積應(yīng)變增量［1］，公式為

{Δεn}={Δεen}+{Δεcn}+{ΔεTn}+{Δεsn}+{ε0n}（2）

式中：{Δεen}為彈性應(yīng)變增量，{Δεcn}為徐變應(yīng)變增量，{ΔεTn}為溫度應(yīng)變增量，{Δεsn}為干縮應(yīng)變增量，{Δε0n}為自生體積應(yīng)變增量。

由物理方程、幾何方程和平衡方程可得任一時(shí)段Δti在區(qū)域Ri上的有限元支配方程為

［Ki］{Δδ}i={ΔPGi}+{ΔPCi}+{ΔPTi}+{ΔPSi}+{ΔP0i}（3）

式中：{Δδ}i為區(qū)域Ri內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)3個(gè)方向上的位移增量，{ΔPGi}、{ΔPCi}、{ΔPTi}、{ΔPSi}和{ΔP0i}分別為Δti時(shí)段內(nèi)由外荷載、徐變、變溫、干縮和自生體積變形引起的等效結(jié)點(diǎn)力增量。

2晝夜溫差對碾壓混凝土重力壩影響

2.1計(jì)算模型

短周期溫度荷載主要影響混凝土表面結(jié)構(gòu)。為了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用有限元精細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行模擬，模型表面網(wǎng)格最小單元尺寸0.5 cm，向內(nèi)網(wǎng)格逐漸變粗，為40 m×20 m×10 m（長×寬×高）的三維模型，如圖1所示。單元采用六面體等參單元，模型共剖分46 000個(gè)單元，53 004個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型主要考慮對混凝土表面的影響，計(jì)算時(shí)，頂面考慮第三類溫度邊界條件，4個(gè)側(cè)面為絕熱邊界，底面與地基連接。應(yīng)力邊界條件：地基底部為三向約束，地基四周為單向法向約束。

結(jié)合工程所在地的氣象特征，得出周寧抽蓄大壩的晝夜溫差和寒潮常規(guī)變化范圍，研究不同齡期混凝土遭遇15 ℃、20 ℃晝夜溫差及2 d降6 ℃和15 ℃寒潮時(shí)，在不同保溫力度條件下距表面一定范圍內(nèi)混凝土的溫度應(yīng)力分布特點(diǎn)。

周寧抽水蓄能大壩主體混凝土為R90C15，其配合比和主要熱學(xué)參數(shù)見表1。

2.2計(jì)算工況

研究15 ℃和20 ℃兩種晝夜溫差的短周期溫度變化對不同保溫力度下混凝土表面應(yīng)力的影響，每種溫度變化對應(yīng)的計(jì)算條件如表2所示。圖2為15 ℃和20 ℃晝夜溫差過程，分不同的齡期、2個(gè)降溫模式，共進(jìn)行了40個(gè)方案計(jì)算。

2.3晝夜溫差引起的混凝土應(yīng)力

R90C15碾壓混凝土?xí)円箿夭顣r(shí)表面最大拉應(yīng)力見表3。根據(jù)表3可知，在無表面保護(hù)措施的情況下，R90C15碾壓混凝土遭遇15 ℃和 20 ℃晝夜溫差時(shí)，表面最大拉應(yīng)力分別為1.26 MPa和1.68 MPa；采取不同的表面保溫措施后，表面最大拉應(yīng)力水平有不同程度的下降，當(dāng)保溫力度達(dá)到β ≤3 kJ/（m2·h·℃）時(shí)，混凝土的表面最大拉應(yīng)力可降至0.13～0.17 MPa。通過保溫來降低環(huán)境溫度變化對混凝土表面的影響十分有效，保溫后內(nèi)外溫差減小，混凝土表面拉應(yīng)力降低。

R90C15碾壓混凝土不同齡期晝夜溫差15 ℃和20 ℃時(shí)拉應(yīng)力沿深度分布曲線見圖3～4。由圖可知，晝夜溫差對混凝土表層的影響范圍在0.8～1.0 m。

圖5為冬季考慮晝夜溫差20 ℃短周期溫度影響應(yīng)力過程線。由圖5可知，表面無保溫，混凝土遭遇20 ℃晝夜溫差時(shí)（按3，7，14，28，90 d齡期時(shí)考慮），疊加上20 ℃的晝夜溫差應(yīng)力，表面最大拉應(yīng)力為1.94 MPa，超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度，抗裂安全系數(shù)低于1.0；加強(qiáng)表面保溫，保溫力度達(dá)到β≤3 kJ/（m2·h·℃）時(shí)，表面最大拉應(yīng)力為0.43 MPa，溫度變化對混凝土表面的影響顯著降低。

3寒潮對碾壓混凝土重力壩影響

3.1計(jì)算工況

寒潮指日平均氣溫在數(shù)日（2～6 d）之內(nèi)急劇下降（降幅超過5 ℃）。研究2 d降溫6 ℃和降溫15 ℃兩種寒潮冷擊短周期變化對不同保溫力度下混凝土表面應(yīng)力的影響，每種溫度變化對應(yīng)的計(jì)算條件如表4所示。圖6為2 d中驟降6 ℃和15 ℃的降溫模式，分為不同的齡期，2個(gè)降溫模式，共進(jìn)行了40個(gè)方案的計(jì)算。

3.2寒潮引起的混凝土應(yīng)力

R90C15碾壓混凝土遭遇寒潮時(shí)表面最大拉應(yīng)力見表5。在無表面保護(hù)措施的情況下，R90C15碾壓混凝土遭遇6 ℃寒潮，表面最大拉應(yīng)力為1.50 MPa；遭遇15 ℃寒潮，表面最大拉應(yīng)力為3.76 MPa。采取不同的表面保溫措施后，表面最大拉應(yīng)力水平有不同程度的下降，當(dāng)保溫材料的β≤3 kJ/（m2·h·℃）時(shí)，遭遇6 ℃寒潮，混凝土的表面最大拉應(yīng)力可降至0.31 MPa；遭遇15 ℃寒潮，混凝土的表面最大拉應(yīng)力可降至0.77 MPa。

R90C15碾壓混凝土不同齡期遭遇寒潮6 ℃和15 ℃時(shí)拉應(yīng)力沿深度分布曲線見圖7～8。由圖中可知，寒潮對混凝土表層的影響范圍為1.4～1.6 m。

圖9為冬季考慮遭遇寒潮6 ℃短周期溫度影響應(yīng)力過程線。由圖可知，表面無保溫情況下，混凝土遭遇6 ℃寒潮時(shí)（按3，7，14，28，90 d齡期時(shí)考慮），疊加上6 ℃寒潮應(yīng)力，表面最大拉應(yīng)力為1.76 MPa，早齡期抗裂安全系數(shù)低于1.0；加強(qiáng)表面保溫，保溫力度達(dá)到β≤3 kJ/（m2·h·℃）時(shí)，表面最大拉應(yīng)力為0.57 MPa。混凝土齡期越長，遭遇寒潮時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力越大，同時(shí)保溫后應(yīng)力降低幅度越大。在寒潮來臨前施加有效保溫措施可以削弱寒潮帶來的不利影響，顯著降低了混凝土表面的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

4結(jié)論

（1） 短周期氣溫變化對大壩表面溫度應(yīng)力有重要影響，疊加水泥水化熱溫升，會導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，容易產(chǎn)生表面裂縫，特別是在晝夜溫差較大和寒潮冷擊較頻繁的地區(qū)大壩更易產(chǎn)生表面裂縫。

（2） 不采取表面保溫措施情況下，混凝土遭遇15 ℃和20 ℃晝夜溫差或者寒潮時(shí)，表面最大拉應(yīng)力超過了混凝土抗拉強(qiáng)度，開裂風(fēng)險(xiǎn)很大；采取不同的表面保溫措施后，表面最大拉應(yīng)力水平有不同程度的下降，保溫力度越大，溫度變化對混凝土表面的影響越弱，應(yīng)力減小幅度越大。加強(qiáng)保溫對防止外界環(huán)境氣溫劇烈變化效果明顯。

（3） 晝夜溫差和寒潮冷擊的影響范圍主要局限于混凝土表面，計(jì)算結(jié)果顯示，晝夜溫差對混凝土表層的影響范圍在0.8～1.0 m，寒潮對混凝土表層的影響范圍在1.4～1.6 m。

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（編輯：張爽）

Influence studies of short-period temperature load on temperature stress of dam concrete surface

KANG Zhiliang1，ZHUO Yifeng2，YE Fajin2，WANG Zhenhong3，WANG Juan3

（1.Fujian Branch，China Huadian Group Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350001，China；2.Huadian Fuxin Zhou Ning Pumped Storage Co.，Ltd.，Ningde 352100，China；3.Department of Structures and Materials，China Institute of Water resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：?In order to explore the influence of short-term loads formed by external environmental changes on the appearance，quality，water storage，etc.，of concrete，taking the rolled concrete dam of Zhouning Pumped Storage Power Station as an example，the surface temperature stress changes of the rolled concrete gravity dam caused by temperature difference between day and night and cold wave were studied by using three-dimensional finite element method.The results showed that strengthening heat preservation can significantly reduce the impact of short-term temperature loads and prevent cracks from forming.The influence of cold wave on concrete surface was deeper，with a depth of about 1.4～1.6 m.The research results can help to formulate concrete temperature control and crack prevention standards，and had a certain reference value for engineering construction in areas with significant impact of short-term temperature loads.

Key words：?dam concrete； temperature loads； temperature stress； diurnal temperature variation； cold wave