趙 寧，方朝陽(yáng)，吳向陽(yáng)

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072； 2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)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(dǎo)致日照對(duì)混凝土溫度場(chǎng)的影響很大，在日照作用下，薄壁混凝土結(jié)構(gòu)如箱梁、渡槽的溫度拉應(yīng)力有顯著上升，大體積混凝土壩結(jié)構(gòu)的溫度和溫度應(yīng)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(nèi)日照延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因而有必要研究日照對(duì)其溫度及溫度應(yīng)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(huán)境溫度變化以及混凝土材料力學(xué)、熱學(xué)性能隨時(shí)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(jìn)行溫度仿真計(jì)算，對(duì)比分析了日照對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度及溫度應(yīng)力的影響。

1 計(jì)算參數(shù)

氣溫的年周期變化過程采用余弦函數(shù)，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(jù)試驗(yàn)資料，混凝土熱學(xué)參數(shù)見表1，混凝土力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 混凝土熱學(xué)參數(shù)Tab.1 Thermal parameters of concrete

注：a為水化熱達(dá)到一半時(shí)的齡期，d。

表2 混凝土力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters of concrete

抗裂安全系數(shù)的計(jì)算公式為：

(1)

允許抗拉強(qiáng)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(yǎng)護(hù)28 d。

2 考慮日照影響的氣溫計(jì)算方法

當(dāng)按晝夜變化考慮日照影響時(shí)，需要知道太陽(yáng)輻射熱在1 d之內(nèi)的分布規(guī)律，可按余弦分布假定[11]。

以中午作為時(shí)間τ的原點(diǎn)，1 d之內(nèi)日照延續(xù)時(shí)間為Ps(單位為h)按下式計(jì)算：

(2)

式中：ΔP為夏至與冬至日照時(shí)長(zhǎng)之差，與緯度有關(guān)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[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(shí)間，月，例如，6月20日，t=5+20/30=5.67 月。

太陽(yáng)輻射熱引起的氣溫增量ΔTα如下。

當(dāng)-Ps/2≤τ≤Ps/2時(shí)：

(3)

當(dāng)|τ|>Ps/2時(shí)：

ΔTα=0

(4)

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

表3 晴天太陽(yáng)輻射熱S0的月平均值 kJ/(m2·h)

當(dāng)考慮太陽(yáng)輻射的影響，計(jì)算混凝土澆筑后的溫度變化時(shí)，在邊界條件中，應(yīng)以Tα+ΔTα代替Tα[11]。

由氣溫年周期變化余弦函數(shù)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(yáng)輻射引起的等效氣溫增量很大，日照的影響相當(dāng)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(jì)算模型

計(jì)算結(jié)構(gòu)段取為左護(hù)邊坡下基坑道路-高程833 m邊坡段，護(hù)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(jìn)行分塊，按臺(tái)階設(shè)置橫縫。下基坑道路及以上邊坡采用泵機(jī)澆筑二級(jí)配混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(tǒng)一采用空間八結(jié)點(diǎn)等參單元，結(jié)構(gòu)段模型共劃分三維塊體單元51 340個(gè)，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(duì)邊坡混凝土溫度場(chǎng)的影響，將計(jì)算步長(zhǎng)定為1/24 d(1 h)。有限元計(jì)算模型見圖2，特征點(diǎn)取襯砌表面中心位置，其位置示意圖見圖3。

圖2 有限元計(jì)算模型 圖3 特征點(diǎn)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(jié)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(jì)算參數(shù)不變的情況下，對(duì)不考慮日照、前3 d考慮日照、前10 d考慮日照3種工況進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，考慮日照的計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 考慮日照計(jì)算參數(shù)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(diǎn)A的溫度及溫度應(yīng)力歷時(shí)曲線見圖4、圖5。

圖4 特征點(diǎn)A的溫度歷時(shí)曲線Fig.4 Temperature duration curve of representative point A

圖5 特征點(diǎn)A的溫度應(yīng)力歷時(shí)曲線Fig.5 Thermal stress duration curve of representative point A

由溫度歷時(shí)曲線可以看出，在考慮日照作用時(shí)，特征點(diǎn)A的溫度歷時(shí)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(shí)的溫度，且每日波峰波谷溫差最高約10 ℃。在日照作用結(jié)束后，混凝土溫度與不考慮日照作用的溫度歷時(shí)曲線吻合，說明日照作用對(duì)大體積混凝土表面溫度場(chǎng)影響顯著。

由溫度應(yīng)力歷時(shí)曲線可以看出，不考慮日照作用時(shí)，溫度應(yīng)力都很小，此時(shí)最小抗裂安全系數(shù)為2.80；考慮日照作用時(shí)，受混凝土溫度波動(dòng)變化的影響，溫度應(yīng)力為一條有較大波動(dòng)變化的曲線，其產(chǎn)生的最大溫度拉應(yīng)力比不考慮日照作用時(shí)的最大溫度拉應(yīng)力大；考慮日照作用結(jié)束時(shí)，特征點(diǎn)A的溫度應(yīng)力會(huì)有較大增長(zhǎng)，隨后與不考慮日照作用的溫度應(yīng)力歷時(shí)曲線平行；考慮日照作用結(jié)束后，前3 d考慮日照的溫度拉應(yīng)力大于不考慮日照作用的溫度拉應(yīng)力約0.95 MPa，此時(shí)抗裂安全系數(shù)最小為1.42，出現(xiàn)時(shí)間為第6天；前10 d考慮日照作用的溫度應(yīng)力大于不考慮日照作用的溫度應(yīng)力約1.26 MPa，此時(shí)抗裂安全系數(shù)最小為1.59(因混凝土抗拉強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng))，出現(xiàn)時(shí)間為第11天，說明當(dāng)大體積混凝土持續(xù)受日照作用，突然遭遇陰雨天氣等導(dǎo)致的溫降會(huì)使表面溫度拉應(yīng)力上升，在早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度較低時(shí)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(diǎn)A的溫度及溫度應(yīng)力歷時(shí)曲線見圖6、圖7。

圖6 特征點(diǎn)A的溫度歷時(shí)曲線Fig.6 Temperature duration curve of representative point A

圖7 特征點(diǎn)A的溫度應(yīng)力歷時(shí)曲線Fig.7 Thermal stress duration curve of representative point A

由溫度及溫度應(yīng)力歷時(shí)曲線可以看出，冬季澆筑時(shí)特征點(diǎn)A的溫度及溫度應(yīng)力發(fā)展規(guī)律與夏季澆筑時(shí)特征點(diǎn)A的溫度及溫度應(yīng)力發(fā)展規(guī)律基本一致，冬季澆筑時(shí)每日波峰波谷溫差最高約7 ℃；不考慮日照作用時(shí)最小抗裂安全系數(shù)為2.22；考慮日照作用，前3 d考慮日照的溫度應(yīng)力大于不考慮日照作用的溫度應(yīng)力約0.71 MPa，此時(shí)抗裂安全系數(shù)最小為1.42，出現(xiàn)時(shí)間為第7天；前10 d考慮日照作用的溫度應(yīng)力大于不考慮日照作用的溫度應(yīng)力約0.94 MPa，此時(shí)抗裂安全系數(shù)最小為1.46，出現(xiàn)時(shí)間為第12天。說明冬季澆筑時(shí)，由于日照對(duì)大體積混凝土表面位置溫度及溫度應(yīng)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(jié)論與建議

通過對(duì)考慮日照影響的烏東德水墊塘邊坡混凝土的溫度應(yīng)力進(jìn)行研究，關(guān)于受日照影響的大體積混凝土表面溫度應(yīng)力有以下認(rèn)識(shí)和結(jié)論：

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

(2)冬季澆筑時(shí)日照對(duì)大體積混凝土表面溫度及溫度應(yīng)力的影響作用依舊顯著，而且冬季氣溫變化劇 烈，經(jīng)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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