短周期溫度荷載對大壩混凝土表面溫度應力影響研究

康志亮，卓已峰，葉發金，王振紅，汪娟

摘要：為探究外部環境變化形成的短周期荷載對混凝土外觀、質量、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力變化進行研究。研究結果表明：加強保溫可以明顯削減短周期溫度荷載的影響，防止裂縫產生；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準，對短周期溫度荷載影響較大區域的工程施工具有一定參考價值。

關鍵詞：大壩混凝土； 溫度荷載； 溫度應力； 晝夜溫差； 寒潮

中圖法分類號：TV315? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：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有產生［5］。碾壓混凝土筑壩技術迅速發展，也因其獨特施工工藝而得到廣泛應用，但施工期和運行期裂縫影響大壩的外觀和質量。在混凝土的配合比和材料性能方面，可以選擇較好的材料，也可通過相關措施控制內部過高的溫度，減小基礎溫差導致的內部裂縫。但環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力，導致混凝土裂縫的產生［6］。

晝夜溫差和寒潮等短周期溫度荷載易導致混凝土產生裂縫，加強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經驗公式得到［17-19］，但經驗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，研究東南沿海地區晝夜溫差和寒潮冷擊等環境溫度變化對混凝土表面的影響深度和改善的溫度應力狀況。

1計算原理與方法

1.1溫度場理論

在計算域R內任何一點處，不穩定溫度場T（x，y，z，t）須滿足熱傳導方程［1］：

Tt=a2Tx2+2Ty2+2Tz2+θτ（1）

式中：T為溫度，℃；a為導溫系數，m2/h；θ為混凝土絕熱溫升，℃；t為時間，d；τ為齡期，d。

1.2應力場理論

混凝土在復雜應力狀態下的應變增量包括彈性應變增量、徐變應變增量、溫度應變增量、干縮應變增量和自生體積應變增量［1］，公式為

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

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

由物理方程、幾何方程和平衡方程可得任一時段Δti在區域Ri上的有限元支配方程為

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

式中：{Δδ}i為區域Ri內所有節點3個方向上的位移增量，{ΔPGi}、{ΔPCi}、{ΔPTi}、{ΔPSi}和{ΔP0i}分別為Δti時段內由外荷載、徐變、變溫、干縮和自生體積變形引起的等效結點力增量。

2晝夜溫差對碾壓混凝土重力壩影響

2.1計算模型

短周期溫度荷載主要影響混凝土表面結構。為了仿真計算的準確性，采用有限元精細網格進行模擬，模型表面網格最小單元尺寸0.5 cm，向內網格逐漸變粗，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個單元，53 004個節點。模型主要考慮對混凝土表面的影響，計算時，頂面考慮第三類溫度邊界條件，4個側面為絕熱邊界，底面與地基連接。應力邊界條件：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，在不同保溫力度條件下距表面一定范圍內混凝土的溫度應力分布特點。

周寧抽水蓄能大壩主體混凝土為R90C15，其配合比和主要熱學參數見表1。

2.2計算工況

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力的影響，每種溫度變化對應的計算條件如表2所示。圖2為15 ℃和20 ℃晝夜溫差過程，分不同的齡期、2個降溫模式，共進行了40個方案計算。

2.3晝夜溫差引起的混凝土應力

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

R90C15碾壓混凝土不同齡期晝夜溫差15 ℃和20 ℃時拉應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（按3，7，14，28，90 d齡期時考慮），疊加上20 ℃的晝夜溫差應力，表面最大拉應力為1.94 MPa，超過了混凝土的抗拉強度，抗裂安全系數低于1.0；加強表面保溫，保溫力度達到β≤3 kJ/（m2·h·℃）時，表面最大拉應力為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計算工況

寒潮指日平均氣溫在數日（2～6 d）之內急劇下降（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力的影響，每種溫度變化對應的計算條件如表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個降溫模式，共進行了40個方案的計算。

3.2寒潮引起的混凝土應力

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

R90C15碾壓混凝土不同齡期遭遇寒潮6 ℃和15 ℃時拉應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（按3，7，14，28，90 d齡期時考慮），疊加上6 ℃寒潮應力，表面最大拉應力為1.76 MPa，早齡期抗裂安全系數低于1.0；加強表面保溫，保溫力度達到β≤3 kJ/（m2·h·℃）時，表面最大拉應力為0.57 MPa?；炷笼g期越長，遭遇寒潮時產生的拉應力越大，同時保溫后應力降低幅度越大。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險。

4結論

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

（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，表面最大拉應力超過了混凝土抗拉強度，開裂風險很大；采取不同的表面保溫措施后，表面最大拉應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，應力減小幅度越大。加強保溫對防止外界環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，計算結果顯示，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.，Fuzhou 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