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節[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象，寒潮的出現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時間、持續時間等因素，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，分析寒潮出現時間、強度、持續時間等因素對溫度場的影響，從而得出其影響規律，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； 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； 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。

T(x，y，0)=T₀=const

邊界條件：根據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。

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單位的節點的溫度值； T_A2 為混凝土內部距外邊界為2單位的節點的溫度值； 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

混凝土的各溫度參數通過經驗估算見表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 為經驗系數。其中，混凝土的絕熱溫升可根據下式計算

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，對于粉煤灰，可取 0.25 。

根據經驗進行計算取值見表2。

2.3 氣溫參數

根據當地多年的平均氣象資料，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，最大值出現在第3d，主要是由于水泥水化熱反應主要發生在前期，隨著時間的延長，水泥水化反應平緩，產熱量較少，內外溫差趨于平穩，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寒潮出現時間對閘墩溫度場的影響

假定在澆筑期內出現寒潮，且寒潮持續 ³d，3d 的溫度分別跌至 6.5.8^°C ，假定上述寒潮出現時間分別在第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。

對不同時間出現寒潮的內外溫差數值進行分析，見表3。

由表3可知，寒潮出現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天出現寒潮，并對不同寒潮強度的內外溫差數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較大幅度的溫度降低。

3.3寒潮持續時間對閘墩溫度場的影響

假定在混凝土澆筑第3天出現寒潮，氣溫降低8^°C ，其降溫分別持續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。

對不同寒潮持續時間的內外溫差數值進行分析，見表5。

由表5可知，寒潮持續時間越長，則寒潮期內的內外溫差會明顯增加，如果持續時間發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，在遇到持續寒潮時，應當避免持續寒潮出現在混凝土澆筑初期，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，其溫度主要受外界氣溫的波動影響，考慮混凝土強度已經穩定，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天出現寒潮，會導致第3天的內外溫差出現明顯增幅，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，寒潮的出現會導致寒潮期的混凝土內外溫差增加，如果寒潮發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的時間偏移。

3)寒潮持續時間越長，寒潮期內的內外溫差會明顯增加，若寒潮持續時間發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：

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