拓筱楊

（新疆昌吉方匯水電設(shè)計有限公司，新疆 昌吉831100）

1 引言

在進(jìn)行大體積混凝土澆筑時，經(jīng)常會遇到混凝土溫度過高的問題，會對混凝土澆筑質(zhì)量產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，因此，在進(jìn)行大體積混凝土澆筑時，對混凝土采取一定的降溫措施是十分重要的。目前，在工程施工過程中使用冷卻水管進(jìn)行降溫是一種常用的方法。章景濤等[1]使用數(shù)值模擬方法對澆筑大體積混凝土泵站時的溫度控制方法進(jìn)行研究，認(rèn)為可以從結(jié)構(gòu)調(diào)整、施工分塊、摻外加劑三個方面進(jìn)行溫度控制，經(jīng)過實(shí)例印證，效果較好；伍達(dá)明等[2]從施工方面進(jìn)行分析，提出了一種新的施工工藝，可以較好地解決大體積混凝土澆筑時溫度較高的問題；李之達(dá)等[3]對采用水冷措施進(jìn)行混凝土冷卻時，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場的分布特征進(jìn)行研究；劉鵬[4]以某大型橋梁承臺大體積混凝土澆筑為例，提出了一種總體施工溫控方案，有效減小了混凝土澆筑時的內(nèi)外溫度差；何夕平等[5]使用數(shù)值模擬方法對水管冷卻法在混凝土澆筑時對混凝土材料基礎(chǔ)溫度場的影響作用進(jìn)行分析；常世華[6]對不同水管埋設(shè)方式對混凝土降溫效果的影響進(jìn)行了研究；商桑等[7]對拱壩澆筑過程中，影響混凝土降溫的主要因素進(jìn)行研究，并提出了最優(yōu)的降溫方案，在工程實(shí)踐中取得了較好的效果；郭華偉等對[8]冷卻水管損壞后對混凝土澆筑質(zhì)量的影響機(jī)制進(jìn)行分析，建議在澆筑期間需要保證冷卻水管的完整性；王毅等[9]對通風(fēng)冷卻方法在混凝土降溫中的效果進(jìn)行分析，低風(fēng)溫、小截面情況下，效果較好；吳桐舟等[10]對混凝土徐變情況下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場分布特征進(jìn)行研究，混凝土徐變對溫度的影響隨著水管冷卻時長的正常而減小。

本文以實(shí)際工程為例，不同的水管布置方式對大體積混凝土壩澆筑過程中的溫度場—應(yīng)力場變化特征進(jìn)行研究。

2 混凝土溫度計算原理

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)溫度場

混凝土澆筑時，在水泥的水化熱作用下，混凝土內(nèi)部的溫度不是恒定的，隨著時間的變化，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度也將產(chǎn)生改變。可以近似認(rèn)為，混凝土內(nèi)部存在熱源，熱源進(jìn)行熱傳導(dǎo)導(dǎo)致溫度發(fā)生變化。溫度場在一個區(qū)域R內(nèi)應(yīng)該滿足以下條件:

式中:T表示混凝土溫度；a表示混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)；τ表示時間；θ表示混凝土絕熱溫升。

當(dāng)使用水管進(jìn)行混凝土降溫時，熱傳導(dǎo)方程為:

式中:T0表示混凝土初始溫度；Tw表示進(jìn)口位置冷水的溫度；θ0表示混凝土最終絕熱溫升；φ、ψ分別表示和水管冷卻效果有關(guān)的函數(shù)。

2.2 溫度應(yīng)力

在混凝土內(nèi)部，由于混凝土初始溫度和最終穩(wěn)定溫度不同，會造成混凝土內(nèi)部存在溫差，溫差的存在會引起混凝土內(nèi)部形成溫度應(yīng)力，計算公式如下:

式中:Kp表示應(yīng)力松弛系數(shù)（由于混凝土徐變引發(fā)）；R表示基礎(chǔ)約束系數(shù)；EC混凝土彈性模量；α表示溫度線膨脹系數(shù)；μ表示泊松比；k表示混凝土澆筑初期溫升的折減系數(shù)；B表示水化熱溫度應(yīng)力系數(shù)；Tf表示水化熱形成的溫升；c表示體積形變影響系數(shù)；ε0表示初始應(yīng)變。

3 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)選取

3.1 模型建立

某重力壩工程屬于1級建筑物，使用冷水管對混凝土澆筑過程中溫度進(jìn)行控制，布置方案如下:2 m×2 m；2 m×1 m；1 m×1 m。同時和不通水降溫情況下混凝土澆筑的溫度變化進(jìn)行對比，分析多種方式下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場和應(yīng)力場變化特征。采用冷水管降溫方式的方案，在完成混凝土澆筑工作后，仍然需要通水10 d，進(jìn)水口的冷卻水的溫度為10℃。冷水管布置方式見圖1，共鋪設(shè)5層冷卻水管。

圖1 冷水管布置方式

3.2 計算參數(shù)選取

使用ANSYS軟件進(jìn)行大體積混凝土重力壩澆筑過程中的溫度變化模擬。首先獲取大壩內(nèi)部溫度場的變化特征，導(dǎo)出熱分析數(shù)值模擬結(jié)果，作為溫度荷載導(dǎo)入應(yīng)力場進(jìn)行大壩內(nèi)部應(yīng)力場變化特征研究。各種材料參數(shù)取值見表1。

表1 數(shù)值模擬計算參數(shù)取值

3.3 混凝土徐變假定

在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時，混凝土徐變的計算公式如下:

式中:C 表示混凝土的徐變程度；t-τ表示持荷時間；k、A、B、D、α表示徐變擬合的參數(shù)。取值見表2。

表2 混凝土徐變各參數(shù)取值

4 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

4.1 溫度場變化特征

為分析未布置冷水管和不同冷水管布置方案的溫度場和應(yīng)力場變化特征，在壩體內(nèi)部和壩體表面各選取一個點(diǎn)來進(jìn)行監(jiān)測分析。其中壩體內(nèi)部點(diǎn)D1位于壩體澆筑過程中的第三層的中心點(diǎn)位置，表面監(jiān)測點(diǎn)D2位于第三澆筑層的右側(cè)角點(diǎn)。從開始澆筑第三層時開始對冷水管進(jìn)行通水同時對溫度場變化進(jìn)行監(jiān)測，通水時長為10 d，完成通水后繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。溫度場變化特征監(jiān)測結(jié)果見圖2。

從圖2監(jiān)測結(jié)果可以看出，不同方式下，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度均呈現(xiàn)出先上升后下降最終趨于穩(wěn)定的變化方式。冷卻水管的布置具有較好的降溫效果，當(dāng)使用冷卻水管進(jìn)行混凝土降溫處理時，澆筑混凝土的過程中混凝土重力壩內(nèi)部最高溫度較不進(jìn)行降溫處理低，且隨著冷卻水管布置密度的加大，降溫效果越明顯。使用1 m×1 m的冷卻水管布置方式，出現(xiàn)了混凝土溫度低于環(huán)境氣溫的情況，有可能造成混凝土產(chǎn)生裂縫。混凝土表面D2點(diǎn)的溫度變化與外界環(huán)境溫度變化一致。

圖2 內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)D1溫度變化特征

4.2 應(yīng)力場變化特征

對壩體混凝土澆筑后20 d內(nèi)的應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析，其中前10 d為混凝土澆筑完成后繼續(xù)通水降溫的過程，后10 d為停止通水降溫的后續(xù)變化過程。建立數(shù)值模擬模型后，對壩體平行水流方向的水平方向應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，分析壩體內(nèi)部應(yīng)力的變化特征。

不同方式下壩體內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)D1的平行水流方向的水平方向應(yīng)力變化過程見圖3。由圖3可知，內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)D1在施工過程中、施工完成后均承受壓應(yīng)力。采用降溫措施對混凝土進(jìn)行降溫后，壩體內(nèi)承受的壓應(yīng)力均有一定程度的降低，壩體澆筑的混凝土材料溫度的降低，有利于緩解壩體內(nèi)部的應(yīng)力緊張狀態(tài)。

不同方式下壩體表面監(jiān)測點(diǎn)D2的平行水流方向的水平方向應(yīng)力變化過程見圖4。從圖4可以得知，表面監(jiān)測點(diǎn)D2在施工過程中、施工完成后均承受拉應(yīng)力，主要原因是混凝土內(nèi)部溫度與外部環(huán)境之間存在的溫差。第31天，由于新一層澆筑的開始造成壩體盈利突變。當(dāng)使用1 m×1 m的方式布置冷卻水管時，拉應(yīng)力最大，因此，冷卻水管布置較密集，混凝土溫度變化較為劇烈，限制了混凝土徐變的作用，使得表面承受較大的拉應(yīng)力。

不同方式下壩體表面監(jiān)測點(diǎn)D2的最大拉應(yīng)力變化過程見圖5。由圖5可知，表面監(jiān)測點(diǎn)D2在施工過程中、施工完成后均承受拉應(yīng)力，拉應(yīng)力隨著時間逐漸增大，其中使用1 m×1 m的方式布置冷卻水管時，壩體表面最大拉應(yīng)力增加最大，超過2.1 MPa，大于澆筑混凝土的抗拉強(qiáng)度，說明壩體表面會形成拉裂縫。

圖3 內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)D1水流方向的水平方向應(yīng)力變化特征

圖4 表面監(jiān)測點(diǎn)D2水流方向的水平方向應(yīng)力變化特征

圖5 表面監(jiān)測點(diǎn)D2最大拉應(yīng)力變化特征

5 結(jié)論

（1）使用冷卻水管對大體積混凝土重力壩澆筑時的溫度控制具有較好的效果，隨著冷卻水管布置的密集度增加，冷卻效果越高，但冷卻管布置過密時，則會造成混凝土溫度低于環(huán)境溫度，降低混凝土澆筑質(zhì)量。

（2）當(dāng)冷卻管布置過密時，造成混凝土壩體表面承受較大的拉應(yīng)力，超過混凝土抗拉強(qiáng)度時則會引起表面產(chǎn)生裂紋，2 m×1 m為較好的冷卻管布置方式，可為類似工程提供參考。