風速對混凝土澆筑塊溫度場的影響

劉闖 周宜紅 周華維

摘 要：風速會影響大體積混凝土表面與外界熱量交換的速率，從而改變混凝土溫度分布狀態(tài)。隨著風速的增大，混凝土澆筑塊表面溫度梯度加大，可能會形成較大的表面拉應力，增大產(chǎn)生表面裂縫的風險。以西南地區(qū)某在建混凝土壩為例，對澆筑塊表面溫度梯度進行實時跟蹤監(jiān)測，確定了外界風速對表面混凝土的影響范圍，并建立有限元模型，計算了不同風速條件下混凝土塊的溫度梯度。結果表明：風速對距混凝土澆筑塊表面0.2 m以內(nèi)的混凝土溫度影響最明顯，且在澆筑完成后4 d最為顯著，及時覆蓋保溫板可有效控制混凝土的溫度梯度。

關鍵詞：風速;數(shù)值模擬;表面混凝土;溫度梯度

中圖分類號：TV315 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.026

Abstract： The wind speed can affect the heat exchange rate between the surface of mass concrete and the outside and change the temperature distribution of concrete. With the increase of wind speed， a large temperature gradient will be formed on the concrete surface. This causes a large surface tensile stress， which increases the risk of surface crack. In this paper， the surface temperature gradient of concrete dam was monitored in real time. The influence of external wind speed to the surface concrete was determined. A finite element model was established to calculate the temperature gradient of concrete under different wind speed conditions. The results show that the effect of wind speed on concrete temperature within 0.2 m of the concrete surface is obvious and the effect of wind is most remarkable in the first four days. The temperature gradient of concrete can be effectively controlled by covering heat preservation board timely.

Key words： wind speed; numerical simulation; surface concrete; temperature gradient

混凝土壩的溫度控制與防裂一直是水工結構領域的研究焦點[1]。隨著我國水電事業(yè)的快速發(fā)展，西南、西北地區(qū)已成為水電建設的主要地區(qū)，建壩環(huán)境較之前更為嚴苛，強風、高溫等惡劣天氣對大壩的澆筑質量提出了更為嚴峻的考驗。西南地區(qū)某在建混凝土壩在施工期常會面臨大風天氣，據(jù)當?shù)貧庀笳窘y(tǒng)計資料顯示，壩址附近出現(xiàn)7級以上大風天氣的平均時間為241 d，占整年總天數(shù)的66.0%，其中干季（1—4月和10—12月）178 d，10級以上的日極大風速基本出現(xiàn)在1—4月。大風天氣對表層混凝土的溫度梯度影響較大，會擴大混凝土內(nèi)外溫差，導致表面裂縫的產(chǎn)生。

風速對大體積混凝土溫度場的影響主要是通過改變混凝土的表面放熱系數(shù)來體現(xiàn)，表面放熱系數(shù)值取決于固體表面粗糙度、流體導熱系數(shù)、流速等[2]，實際工程中常采用經(jīng)驗公式或根據(jù)實測值反演獲得[3]。關于有風條件下的混凝土溫度場仿真計算，劉建鑫[4]通過模擬試驗，統(tǒng)計分析了不同風速、風向對混凝土溫度及氣孔參數(shù)變化的影響;熊文等[5]分析了風環(huán)境下結構尺寸對混凝土水化熱的影響;高紀宏等[6]依托實際工程提出了大風環(huán)境中橋梁施工應采取的防裂措施。以上研究對大風環(huán)境中橋梁施工具有一定的指導作用，而混凝土壩體型龐大，澆筑塊表面與空氣接觸面積大，受大風影響更為顯著，在水利工程中相關研究還鮮有報道。

鑒于此，筆者結合實際工程特點，開展不同風速對大體積混凝土溫度梯度影響的相關研究，以某一倉為例，將風速作為控制變量，考慮水管冷卻、表面保溫等因素，結合現(xiàn)場實測溫度數(shù)據(jù)，采用數(shù)值方法模擬求解不同工況下混凝土塊的溫度分布狀況，分析風對混凝土溫度場的影響范圍，并分析保溫板在大風條件下的溫控效果，以此指導施工。

2 工程實例

我國西南地區(qū)某在建特高雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m，壩頂厚14 m，最大中心角96.43°，壩體共分31個壩段。壩址地處季風區(qū)，干濕季分明，日照強，風速大，風季持續(xù)時間長。據(jù)當?shù)貧庀蟊O(jiān)測資料顯示，壩址處常伴有大風天氣，日極大風速7級以上年平均天數(shù)達241 d，最大風速達26 m/s。大風條件下，混凝土表面的熱量交換、水分散失加快，保溫材料的覆蓋作業(yè)變得更為困難，這都為混凝土表面的保溫保濕提出了更高的要求。

2.1 計算模型

本文以河床壩段某典型澆筑塊為研究對象，由于其倉面面積大，因此可將垂直于澆筑塊混凝土表面方向假定為一維溫度場。該澆筑塊采用C18040低熱混凝土，于2017年9月24日開始澆筑，歷時28.36 h，層厚3 m，共分6個坯層，間歇期為9 d。冷卻水管分別布設在第一坯層和第四坯層，管長300 m，管間距1.0 m×1.5 m。澆筑過程中，上下游面及橫縫面均采用鋼模板固定，并于澆筑完成3 d后拆除，模板拆除后覆蓋聚苯乙烯保溫板，澆筑塊頂面在間歇期內(nèi)均未覆蓋保溫材料。在計算過程中，結合現(xiàn)場實際澆筑及保溫情況，以拆模時間點為分界點，分階段加載澆筑塊上下游面及橫縫面邊界條件。點O為澆筑塊頂面中心點，在距澆筑塊頂面中心點0.1、0.2、0.4、0.6 m處埋設溫度計，分別記為A、B、C、D測點（如圖1所示）。選取橫河向為x軸，順河向為y軸，鉛直向上為z軸，采用六面體8節(jié)點等參單元建立澆筑塊有限元模型。為更好地反映表層混凝土的溫度梯度，將第五、六坯層的網(wǎng)格進行加密處理。共剖分31 500個單元、35 216個節(jié)點。