氣溫驟降對薄壁混凝土結構溫度應力的影響

丁兵勇 唐瑜蓮

(1.華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 310014; 2.浙江省水利水電工程局，浙江杭州 310020)

大量工程實踐資料表明，氣溫驟降是引起混凝土表面裂縫的主要原因。尤其對薄壁混凝土結構而言，由于結構斷面尺寸較小，表面裂縫很容易發展成貫穿性裂縫，嚴重影響結構的整體性和安全性。針對這一問題，本文采用有限單元法，以某倒虹吸地涵為研究對象，計算分析氣溫驟降對混凝土結構溫度場及應力場的影響。

1 計算原理及方法

1.1 非穩定溫度場計算原理及方法

在混凝土計算域R內任意一點處，非穩定溫度場T(x，y，z，τ)需滿足熱傳導方程:

其中，T為溫度，℃;a為導溫系數，m2/h;θ為絕熱溫升，℃;τ為時間，h。溫度場有限元計算方法見文獻［1］。

1.2 應力場計算原理及方法

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，因此:

2 計算分析

2.1 計算模型

某倒虹吸地涵管身為兩孔一聯的鋼筋混凝土箱形結構，每節長約15 m，單孔過水斷面尺寸5.4 m×5.4 m，管身橫斷面如圖1所示。計算模型如圖2所示，基礎及管身混凝土的熱力學參數均由試驗確定，計算中對施工過程、環境因素等均進行仿真模擬。

溫度場計算時，對于計算域中地基底面及四周側面取為絕熱邊界，混凝土表面均為第三類熱交換邊界。應力場計算時，地基底面及四周側面取為法向約束，其他臨空面為自由邊界。

2.2 計算工況

工況1:春季開始施工，澆筑溫度取環境溫度+3℃。

工況2:在工況1基礎上，考慮氣溫驟降影響。混凝土澆筑完畢2 d后遭遇為期5 d、一天內降溫15℃，低溫持續3 d，然后在一天內恢復到正常氣溫的“U”形寒潮。

圖1 倒虹吸管橫截面（單位：cm）

圖2 計算模型

2.3 計算結果分析

1)氣溫驟降對溫度場的影響。如圖3所示，氣溫驟降時，墻體混凝土表面受寒潮影響較大，溫度變化趨勢與環境氣溫相類似，呈“U”形。與表面混凝土相比，墻體內部混凝土溫降幅度相對較小，受氣溫影響而產生的溫度變化也相對有所滯后，早期混凝土的內外溫差進一步增大。如圖3所示，工況1中，早期混凝土最大內外溫差約為10℃，工況2中，氣溫驟降時，表面混凝土的溫降幅度約16℃，其早期混凝土內外溫差達到16℃。

圖3 工況1和工況2中墻體混凝土表面點和中心點的溫度歷時曲線

2)氣溫驟降對應力場的影響。如圖4所示，由于內外溫差作用，混凝土產生了相應的變形約束。相對于內部混凝土來講，外表面混凝土處于相對收縮變形的狀態，而內部混凝土則處于相對體積膨脹的狀態。因而在表面相對受張拉的區域出現拉應力，而在結構內部相對受擠壓的區域就產生了壓應力。如圖3和圖4所示，氣溫驟降期間，由于混凝土內外溫差的進一步增大，其混凝土表面拉應力也相應急劇增長。工況2中，氣溫驟降時，表面混凝土拉應力由1.0 MPa迅速上升至2.5 MPa，此時對早齡期混凝土來說，混凝土即時允許應力仍較低，極易導致混凝土表面的開裂。

3 結論與建議

1)氣溫驟降時，混凝土表面溫度急劇下降，相比較而言，混凝土內部溫度下降有所滯后。此時混凝土的內外溫差進一步加大，混凝土表面拉應力急劇增長。對早齡期的混凝土而言，此時混凝土的即時允許應力仍較低，極易導致混凝土表面的開裂。

圖4 工況1和工況2中墻體混凝土表面點和中心點的主應力歷時曲線

2)氣溫驟降時，應根據氣溫降幅，提前對混凝土表面覆蓋適宜的保溫材料，以削減混凝土表面的溫降幅度，減小混凝土的內外溫差，從而減小混凝土表面的拉應力峰值，以達到限制混凝土表面開裂的目的。

［1］朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［2］張子明，王嘉航，姜冬菊，等.氣溫驟降時大體積混凝土的溫度應力計算［J］.河海大學學報(自然科學版)，2003，31(1):11-15.

［3］陳彥玉，黃達海，代 婧.氣溫驟降時早期混凝土表面保溫措施研究［J］.水力發電，2010，36(4):43-46.

［4］李丹楓，段亞輝.江坪河泄洪洞洞口段襯砌混凝土遇寒潮溫控研究［J］.中國農村水利水電，2011(7):84-87.

［5］王振紅，張國新，于書萍，等.水工薄壁混凝土結構溫控的敏感性分析［J］.武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2010，34(2):280-284.

［6］陳守開，孟美麗，劉秋常，等.晝夜溫差對薄壁混凝土結構溫度應力的影響分析［J］.水力發電，2011，37(7):27-30.

［7］陳 陣，劉紀峰，張會芝.倒虹吸工程混凝土裂縫分析及防治［J］.信陽師范學院學報(自然科學版)，2006，19(1):104-107.

［8］陳立新，陳芝春.寒潮期間大體積混凝土保溫研究［J］.三峽大學學報(自然科學版)，2008，30(4):15-17.