考慮日照影響烏東德水墊塘邊坡混凝土溫度應力研究

趙 寧，方朝陽，吳向陽

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072； 2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122)

受日照的混凝土其表面吸收的輻射熱很大，導致日照對混凝土溫度場的影響很大，在日照作用下，薄壁混凝土結構如箱梁、渡槽的溫度拉應力有顯著上升，大體積混凝土壩結構的溫度和溫度應力也有明顯增加[1-10]。烏東德水電站水墊塘邊坡混凝土面南背北，1 d之內日照延續時間長，因而有必要研究日照對其溫度及溫度應力的影響。本文綜合考慮烏東德水墊塘邊坡混凝土的溫控措施、環境溫度變化以及混凝土材料力學、熱學性能隨時間變化等因素，采用有限元方法模擬澆筑過程，就施工期考慮日照影響與不考慮日照影響2種情況進行溫度仿真計算，對比分析了日照對大體積混凝土結構的溫度及溫度應力的影響。

1 計算參數

氣溫的年周期變化過程采用余弦函數，烏東德水電站多年平均氣溫為19.6 ℃，氣溫年變幅為7.3 ℃。根據試驗資料，混凝土熱學參數見表1，混凝土力學參數見表2。

表1 混凝土熱學參數Tab.1 Thermal parameters of concrete

注：a為水化熱達到一半時的齡期，d。

表2 混凝土力學參數Tab.2 Mechanical parameters of concrete

抗裂安全系數的計算公式為：

(1)

允許抗拉強度=彈性模量×極限拉伸值

主要溫控措施如下：澆筑溫度為18 ℃，澆筑3 d后拆模，灑水養護28 d。

2 考慮日照影響的氣溫計算方法

當按晝夜變化考慮日照影響時，需要知道太陽輻射熱在1 d之內的分布規律，可按余弦分布假定[11]。

以中午作為時間τ的原點，1 d之內日照延續時間為Ps(單位為h)按下式計算：

(2)

式中：ΔP為夏至與冬至日照時長之差，與緯度有關，根據參考文獻[11]及烏東德水電站站址緯度(北緯26.4°)插值得到，取為2 h；t為日歷時間，月，例如，6月20日，t=5+20/30=5.67 月。

太陽輻射熱引起的氣溫增量ΔTα如下。

當-Ps/2≤τ≤Ps/2時：

(3)

當|τ|>Ps/2時：

ΔTα=0

(4)

式中：Ts為吸收系數，對于混凝土表面，Ts≈0.65；k為系數，根據參考文獻[11]取為0.68；n為云量，取0.20；S0為晴天太陽輻射熱，kJ/(m2·h)，根據烏東德水電站站址緯度由表3插值得到；V為風速，m/s。

表3 晴天太陽輻射熱S0的月平均值 kJ/(m2·h)

當考慮太陽輻射的影響，計算混凝土澆筑后的溫度變化時，在邊界條件中，應以Tα+ΔTα代替Tα[11]。

由氣溫年周期變化余弦函數可得5月1日的日平均氣溫為19.8 ℃，圖1所示為考慮日照的氣溫日變化曲線。從圖1中可以看出由太陽輻射引起的等效氣溫增量很大，日照的影響相當于中午氣溫增加了24 ℃左右，其影響是顯著的。

圖1 5月1日氣溫變化曲線Fig.1 Curve of temperature change on May 1st

3 有限元計算模型

計算結構段取為左護邊坡下基坑道路-高程833 m邊坡段，護坡坡比為1∶0.3，襯砌厚度3 m，沿下基坑道路方向每隔10 m進行分塊，按臺階設置橫縫。下基坑道路及以上邊坡采用泵機澆筑二級配混凝土，混凝土強度等級為C9025(二)W6F150，塌落度為12～14、16～18 cm。圍巖范圍徑向取30 m左右。巖體和襯砌混凝土統一采用空間八結點等參單元，結構段模型共劃分三維塊體單元51 340個，襯砌厚度方向混凝土塊體單元尺寸約為0.1 m。為充分考慮日照對邊坡混凝土溫度場的影響，將計算步長定為1/24 d(1 h)。有限元計算模型見圖2，特征點取襯砌表面中心位置，其位置示意圖見圖3。

圖2 有限元計算模型 圖3 特征點示意圖 Fig.2 The finite element Fig.3 The schematic diagram calculation model of representative points

4 考慮日照影響結果分析

考慮到澆筑日期的不確定性，分為夏季、冬季澆筑，分別以5月1日和11月1日為澆筑日期，在保證其他計算參數不變的情況下，對不考慮日照、前3 d考慮日照、前10 d考慮日照3種工況進行有限元仿真計算，考慮日照的計算參數見表4。

表4 考慮日照計算參數Tab.4 Calculation parameters when considering sunlight effect

4.1 夏季澆筑日照的影響作用

以5月1日為澆筑日期，特征點A的溫度及溫度應力歷時曲線見圖4、圖5。

圖4 特征點A的溫度歷時曲線Fig.4 Temperature duration curve of representative point A

圖5 特征點A的溫度應力歷時曲線Fig.5 Thermal stress duration curve of representative point A

由溫度歷時曲線可以看出，在考慮日照作用時，特征點A的溫度歷時曲線為波浪式曲線，相鄰波峰波谷的間隔均為1 d，每日波峰溫度與波谷溫度均高于不考慮日照作用時的溫度，且每日波峰波谷溫差最高約10 ℃。在日照作用結束后，混凝土溫度與不考慮日照作用的溫度歷時曲線吻合，說明日照作用對大體積混凝土表面溫度場影響顯著。

由溫度應力歷時曲線可以看出，不考慮日照作用時，溫度應力都很小，此時最小抗裂安全系數為2.80；考慮日照作用時，受混凝土溫度波動變化的影響，溫度應力為一條有較大波動變化的曲線，其產生的最大溫度拉應力比不考慮日照作用時的最大溫度拉應力大；考慮日照作用結束時，特征點A的溫度應力會有較大增長，隨后與不考慮日照作用的溫度應力歷時曲線平行；考慮日照作用結束后，前3 d考慮日照的溫度拉應力大于不考慮日照作用的溫度拉應力約0.95 MPa，此時抗裂安全系數最小為1.42，出現時間為第6天；前10 d考慮日照作用的溫度應力大于不考慮日照作用的溫度應力約1.26 MPa，此時抗裂安全系數最小為1.59(因混凝土抗拉強度隨齡期增長)，出現時間為第11天，說明當大體積混凝土持續受日照作用，突然遭遇陰雨天氣等導致的溫降會使表面溫度拉應力上升，在早齡期混凝土抗拉強度較低時容易引起表面裂縫。

4.2 冬季澆筑日照的影響作用

以11月1日為澆筑日期，得出特征點A的溫度及溫度應力歷時曲線見圖6、圖7。

圖6 特征點A的溫度歷時曲線Fig.6 Temperature duration curve of representative point A

圖7 特征點A的溫度應力歷時曲線Fig.7 Thermal stress duration curve of representative point A

由溫度及溫度應力歷時曲線可以看出，冬季澆筑時特征點A的溫度及溫度應力發展規律與夏季澆筑時特征點A的溫度及溫度應力發展規律基本一致，冬季澆筑時每日波峰波谷溫差最高約7 ℃；不考慮日照作用時最小抗裂安全系數為2.22；考慮日照作用，前3 d考慮日照的溫度應力大于不考慮日照作用的溫度應力約0.71 MPa，此時抗裂安全系數最小為1.42，出現時間為第7天；前10 d考慮日照作用的溫度應力大于不考慮日照作用的溫度應力約0.94 MPa，此時抗裂安全系數最小為1.46，出現時間為第12天。說明冬季澆筑時，由于日照對大體積混凝土表面位置溫度及溫度應力的影響作用依舊是顯著的。由于冬季澆筑更容易遭遇寒潮，天氣條件惡劣，溫控措施要求更加苛刻，因此冬季澆筑必須在早齡期考慮日照影響作用，采取必要的表面保溫措施。

5 結論與建議

通過對考慮日照影響的烏東德水墊塘邊坡混凝土的溫度應力進行研究，關于受日照影響的大體積混凝土表面溫度應力有以下認識和結論：

(1)日照作用會使大體積混凝土表面溫度拉應力升高，容易引起表面裂縫，在早齡期必須考慮日照對大體積混凝土表面拉應力產生的不利影響，需要采取必要的保溫措施。

(2)冬季澆筑時日照對大體積混凝土表面溫度及溫度應力的影響作用依舊顯著，而且冬季氣溫變化劇 烈，經常伴隨寒潮，因此必須采取表面保溫措施，消除日照帶來的不利影響。

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