寒潮對閘墩混凝土溫控的影響分析

中圖分類號：TU375 文獻標志碼：A 文章編號:2095-2945(2025)14-0068-04

Abstract:Analyzethetemperaturefieldofthegatepierconcrete，establishadifrencecalculationmodelofitstemperature field，andsimulatethetemperaturefieldofthegatepierunderthechangeoftemperature；conductsimulationofthegatepier temperaturefieldacordingtotheconcretepouringperiod，theapparancetime，intensityanddurationofthecoldwave，analyze theimpactof diferentcoldwaveconditionsonthetemperaturefield;fortheoperationperiod，analyzetheimpactofthecold waveonthetemperaturefeldofthegatepier;Throughanalysis，theinfluenceofdiferentcoldwaveconditionsonthe temperaturefieldofthegatepierisobtained，whichprovidesreferenceforthetemperaturecontrolofmass concreteofthegate pier during the cold wave period.

Keywords: pier concrete; difference calculation; temperature field; cold wave; temperature contro

合理計算確定大體積混凝土的溫度場，是對其進行溫控防裂的重要環(huán)節(jié)[1-2]。對于大中型水利工程中的閘墩結構，一般均澆筑形成大體積混凝土結構，在澆筑時需要考慮其溫控防裂，并制定合理的澆筑方案3]。寒潮是常見的一種天氣現(xiàn)象，寒潮的出現(xiàn)不利于大體積混凝土結構的溫控防裂，文獻[4—5]研究了寒潮對大體積混凝土溫控的影響，但是其并未考慮寒潮的出現(xiàn)時間、持續(xù)時間等因素，本文構建閘墩的溫度場計算模型，考慮施工期和運行期的寒潮影響，分析寒潮出現(xiàn)時間、強度、持續(xù)時間等因素對溫度場的影響，從而得出其影響規(guī)律，為大體積混凝土寒潮期的溫控提供參考。

1閘墩溫度場的差分模型

1.1 熱傳導方程

混凝土閘墩在平面的2個方向邊界條件等同，且高度方向等長，其溫度場可以簡化為二維的熱傳導問題，其熱傳導方程可表達為

式中： T 為混凝土內部坐標點溫度； τ 為時間； Δ_a 為混凝土導溫系數(shù)； x，y 為混凝土內部點的位置坐標； θ 為混凝土絕熱溫升； λ 為混凝土的導熱系數(shù)； c 為混凝土比熱 為混凝土密度。

1.2初始條件和邊界條件

對上述熱傳導方程進行求解時，需要確定其初始條件和邊界條件

初始條件：初始溫度為其初始瞬時溫度，即澆筑溫度，為常數(shù)。

T(x，y，0)=T₀=const

邊界條件：根據(jù)混凝土的接觸介質不同，其邊界條件可以分為第一類邊界條件一第四類邊界條件，具體可參見文獻[1，5]。其中，第三類邊界條件使用較多，其假定混凝土表面的熱流量與其表面溫度 T 和氣溫

T_f 之差成正比。即

式中 _:β 為混凝土表面的放熱系數(shù)。

1.3差分計算模型

對于上述構建的熱傳導方程，劃分差分單元，建立其差分計算模型，其中計算模型，如圖1所示， Ψ_?x 方向間距表示為 h，y 方向間距表示為 l ，用差商代替微商。

溫度場的差分計算模型可表示為

化簡得

式中： ;r₁=aΔτ/h²，r₂=aΔτ/l²，Δθ=θ(τ+Δτ)-θ(τ) ，當 r₁+r₂< 0.5時，計算結果穩(wěn)定。

第三類邊界條件的差分格式可利用牛頓后插公式，建立其差分格式為

$T _ { i \\ b { d } ， \au + \\Delta \au } = \\frac { 1 } { 3 + s } ( 4 T _ { \\ast \\ b { \\mathscr { h } } 1 ， \au + \\Delta \au } - T _ { \\ast \\ b { h } 2 ， \au + \\Delta \au } + s T _ { a ， \au + \\Delta \au } ) \\ ，$

式中： T_H1 為混凝土內部距外邊界為1單位的節(jié)點的溫度值； T_A2 為混凝土內部距外邊界為2單位的節(jié)點的溫度值； T_a 為接觸介質的溫度。

2 閘墩溫度場實例分析

2.1閘墩溫度場計算模型

河南省某水庫新建溢洪道閘門，閘墩高 20m ，閘墩平面尺寸可近似簡化為 20m×2m ，閘墩采用混凝土澆筑，考慮澆筑環(huán)境溫度較低，采用外覆蓋保溫材料的方法澆筑。其中閘墩的溫度場計算模型可簡化為二維模型。

2.2 材料參數(shù)

混凝土的各溫度參數(shù)通過經(jīng)驗估算見表1。

混凝土的絕熱溫升可以表示為

式中： Q(τ) 是齡期為 τ 時的累積水化熱 (kJ/kg);Q₀ 為最終水化熱 (kJ/kg)_3τ 為齡期 (d)_;a，b 為經(jīng)驗系數(shù)。其中，混凝土的絕熱溫升可根據(jù)下式計算

式中： W 為每方混凝土中的水泥含量（ |kg/m³ ） F 為每方混凝土中摻合料含量 ） k 為折減系數(shù)，對于粉煤灰，可取 0.25 。

根據(jù)經(jīng)驗進行計算取值見表2。

2.3 氣溫參數(shù)

根據(jù)當?shù)囟嗄甑钠骄鶜庀筚Y料，得到澆筑期 20d 的日均氣溫均介于 10～18^°C ，日最大溫差 10% 左右。

2.4 閘墩溫度場計算

對混凝土澆筑20d的溫度場進行差分仿真計算，得出其中心點及表面點的溫度及內外最大溫差變化如圖2、圖3所示。

通過上述計算可知，混凝土閘墩中心的溫度值大于邊界值，主要是由于混凝土內部水泥水化反應產(chǎn)生熱量，由于混凝土溫度擴散過程較慢，導致內部熱量集中，邊界溫度與空氣溫度交換較快，其溫度較中心點溫度較低；混凝土內外溫差前期較大，最大值出現(xiàn)在第3d，主要是由于水泥水化熱反應主要發(fā)生在前期，隨著時間的延長，水泥水化反應平緩，產(chǎn)熱量較少，內外溫差趨于平穩(wěn)，因此，混凝土澆筑初期，是其溫度控制的重點。

3施工期寒潮對閘墩溫度場的影響分析

3.1寒潮出現(xiàn)時間對閘墩溫度場的影響

假定在澆筑期內出現(xiàn)寒潮，且寒潮持續(xù) ³d，3d 的溫度分別跌至 6.5.8^°C ，假定上述寒潮出現(xiàn)時間分別在第3天、第5天、第7天、第10天和第17天，分別對其各工況的溫度場進行仿真計算，其氣溫變化及其內外溫差變化圖如圖4、圖5所示。

對不同時間出現(xiàn)寒潮的內外溫差數(shù)值進行分析，見表3。

由表3可知，寒潮出現(xiàn)會導致寒潮期的內外溫差增加，不利于混凝土的溫控防裂，而如果寒潮發(fā)生在混凝土澆筑后期(7天后)，則對閘墩混凝土最大內外溫差無影響，若寒潮發(fā)生在混凝土澆筑前期，則會明顯提升混凝土的最大內外溫差，尤其是如果出現(xiàn)在第3天，則內外溫差增幅可達 27.18% ，考慮混凝土前期抗拉強度較低，因此，需要盡可能使混凝土澆筑初期避開寒潮期，或采取技術手段對澆筑的混凝土進行溫控干預。

3.2 寒潮強度對閘墩溫度場的影響

假定在混凝土澆筑第3天出現(xiàn)寒潮，并對不同寒潮強度的內外溫差數(shù)值進行仿真計算分析見表4。

由表4可知，寒潮降溫幅度越大，其導致內外溫差增加的幅度越大，越不利于溫控防裂，但上述降溫幅度增加不會引起最大溫差值出現(xiàn)的時間偏移，考慮混凝土澆筑前期其抗拉強度較低，因此，應當避免混凝土澆筑初期出現(xiàn)較大幅度的溫度降低。

3.3寒潮持續(xù)時間對閘墩溫度場的影響

假定在混凝土澆筑第3天出現(xiàn)寒潮，氣溫降低8^°C ，其降溫分別持續(xù)1\\~4d，分別對其各工況的溫度場進行仿真計算，其氣溫及內外溫差變化圖如圖6所示。

對不同寒潮持續(xù)時間的內外溫差數(shù)值進行分析，見表5。

由表5可知，寒潮持續(xù)時間越長，則寒潮期內的內外溫差會明顯增加，如果持續(xù)時間發(fā)生在混凝土澆筑后期，則不會引起混凝土內外溫差最大值的增加，因此，在遇到持續(xù)寒潮時，應當避免持續(xù)寒潮出現(xiàn)在混凝土澆筑初期，尤其是在澆筑的前 3d

4運行期寒潮對閘墩溫度場的影響分析

混凝土澆筑完成后，混凝土內部水化熱結束，其溫度場趨于平穩(wěn)，其溫度主要受外界氣溫的波動影響，考慮混凝土強度已經(jīng)穩(wěn)定，其抗拉強度較大，其承受的內外溫差較大，因此，運行期內一般不需要考慮寒潮的影響。按照未出現(xiàn)寒潮的氣溫變化，對其進行溫度場分析如圖7、圖8所示

由圖7、圖8可知，對于未出現(xiàn)寒潮的天氣變化，閘墩混凝土內外溫差較小，其一般不需要考慮其溫控防裂。

考慮寒潮變化，分別計算第3天降溫 7、11、15°C 的閘墩混凝土溫度場，其內外溫差計算如圖9所示

由圖7和圖8分析可知，第3天出現(xiàn)寒潮，會導致第3天的內外溫差出現(xiàn)明顯增幅，且寒潮降溫幅度越大，引起的閘墩混凝土內外溫差越大，但即便寒潮降溫幅度為 15^°C ，其引起的閘墩混凝土內外溫差也僅為 6% ，該溫差對于運行期混凝土而言，不會引起溫度裂縫，因此，對于寒潮，在運行期可考慮不單獨采取措施進行溫控防裂。

5結論

1)在混凝土澆筑期，寒潮的出現(xiàn)會導致寒潮期的混凝土內外溫差增加，如果寒潮發(fā)生在混凝土澆筑后期，則對閘墩混凝土最大內外溫差無影響。

2)寒潮強度越大，其導致內外溫差增加的幅度越大，但上述降溫幅度增加不會引起混凝土內外最大溫差值出現(xiàn)的時間偏移。

3)寒潮持續(xù)時間越長，寒潮期內的內外溫差會明顯增加，若寒潮持續(xù)時間發(fā)生在混凝土澆筑前期，會導致混凝土內外最大溫差明顯增加，不利于溫控防裂，此時需采取技術手段對混凝土進行溫控干預。

4)運行期出現(xiàn)寒潮，會導致閘墩混凝土的內外溫差增加，但考慮運行期混凝土抗拉強度較大，對于一般寒潮，可不考慮寒潮對其溫控防裂的影響，以降低混凝土溫控施工的成本。

參考文獻：

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[2]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]馬躍先，鄧旭.基于Matlab的大體積混凝土溫度場差分算法及應用[J].水電能源學，2013，31(11)：96-98.

[4]田振華，鄭東健，姚遠，等.大體積混凝土寒潮期溫度應力及表面保溫分析[J].水電能源科學，2011，29(5)：93-95.

[5]黃河，楊華彬，危文爽，等.溫度突降條件下大體積混凝土表層溫度計算[J].武漢大學學報(工學版)，2004，37(5)：58-61.

[6]鄧旭.大體積混凝土溫度及應力控制相關問題研究[D].鄭州：鄭州大學，2014.