汤文佩
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摘要：风速会影响大体积混凝土表面与外界热量交换的速率，从而改变混凝土温度分布状态。随着风速的增大，混凝土浇筑块表面温度梯度加大，可能会形成较大的表面拉应力，增大产生表面裂缝的风险。以某混凝土坝为例研究了风速对混凝土浇筑块温度场的影响。
关键词：混凝土；风速；温度场；影响
随着我国水电事业的快速发展，西南、西北地区已成为水电建设的主要地区，建坝环境较之前更为严苛，强风、高温等恶劣天气对大坝的浇筑质量提出了更为严峻的考验。西南地区某在建混凝土坝在施工期常会面临大风天气，据当地气象站统计资料显示，坝址附近出现7级以上大风天气的平均时间为241d，占整年总天数的66.0%，其中干季（1-4月和10-12月）178d，10级以上的日极大风速基本出现在1-4月。大风天气对表层混凝土的温度梯度影响较大，会扩大混凝土内外温差，导致表面裂缝的产生。
一、计算原理
（一）非稳定温度场计算
在求解域R内，非稳定温度场满足：
式中：T为温度；τ为时间；a为混凝土导温系数；θ为混凝土绝热温升；x、y、z为空间坐标。
混凝土坝中一般布设冷却水管，含冷却水管的大体积混凝土温度场仿真分析方法包括有限元精细算法和等效热传导法。精细算法为反映水管附近的温度梯度需要布设密集的网格，大大增加了计算工作量。等效热传导法将冷却水管视为负热源，在平均意义上考虑水管冷却效果。本文主要研究混凝土表层温度梯度，与冷却水管距离较远，为简化计算，采用等效热传导法考虑水管冷却效果。
（二）大风对混凝土温度场的影响
混凝土浇筑后，表面将与外界环境发生热量交换，风速对混凝土温度场的影响主要是通过改变混凝土表面放热系数来体现。在模拟计算过程中，混凝土表面与空气之间按第三类边界条件考虑，即
式中：λ为混凝土导热系数；n为混凝土表面法线坐标；β为表面放热系数；T为混凝土表面温度；Ta为气温。
综合考虑浇筑块表面温差及自然对流换热的影响，混凝土表面放热系数与风速的关系可表示为
二、工程实例
我国西南地区某在建特高双曲拱坝，坝顶高程834m，最大坝高289m，坝顶厚14m，最大中心角96.43°，坝体共分31个坝段。坝址地处季风区，干湿季分明，日照强，风速大，风季持续时间长。据当地气象监测资料显示，坝址处常伴有大风天气，日极大风速７级以上年平均天数达241d，最大风速达26m/s。大风条件下，混凝土表面的热量交换、水分散失加快，保温材料的覆盖作业变得更为困难，这都为混凝土表面的保温保湿提出了更高的要求。
（一）计算模型
本文以河床坝段某典型浇筑块为研究对象，由于其仓面面积大，因此可将垂直于浇筑块混凝土表面方向假定为一维温度场。该浇筑块采用C18040低热混凝土，于2017年9月24日开始浇筑，历时28.36h，层厚3m，共分6个坯层，间歇期为9d。冷却水管分别布设在第一坯层和第四坯层，管长300m，管间距1.0m×1.5m。浇筑过程中，上下游面及横缝面均采用钢模板固定，并于浇筑完成3d后拆除，模板拆除后覆盖聚苯乙烯保温板，浇筑块顶面在间歇期内均未覆盖保温材料。在计算过程中，结合现场实际浇筑及保温情况，以拆模时间点为分界点，分阶段加载浇筑块上下游面及横缝面边界条件。点O为浇筑块顶面中心点，在距浇筑块顶面中心点0.1、0.2、0.4、0.6m处埋设温度计，分别记为A、B、C、D测点。选取横河向为ｘ轴，顺河向为ｙ轴，铅直向上为ｚ轴，采用六面体8节点等参单元建立浇筑块有限元模型。为更好地反映表层混凝土的温度梯度，将第五、六坯层的网格进行加密处理。共剖分31500个单元、35216个节点。
（二）计算工况
风速作为风环境的基本指标，对混凝土温度场的影响主要源于对混凝土表面放热系数的影响，而风向对此影响甚微，因此本文主要研究不同风速对混凝土表面温度的影响规律。以前文提到的典型浇筑块为研究对象，将实测浇筑温度、日平均风速、日平均气温及实际温控措施等现场实际条件组成的工况作为基本工况（工况1）；在此基础上，结合本研究依托的实例工程施工现场大风天气气象资料，选取3种典型风速作为对比计算工况（工况2～4）；同时，设计工况5对比分析7级大风条件下表面保温与否对混凝土表面温度的影响程度。计算工况见表1，不同风速下混凝土表面放热系数及保温材料等效放热系数见表2。工况2～5计算时采用的其他参数和边界条件均与基本工况完全一致。
表1 计算工况
表2 不同风速下放热系数
（三）结果分析
计算得出，不同风速下测点A的温度存在较大波动。当风速由2m/s逐步增大到5、10、15m/s时，测点A最高温度分别升高了0.57、1.03、1.26℃。在风速为15m/s时，测点A的最高温度达29.12℃，超过了混凝土最高温度控制标准（29℃），温度日最大变幅为6.2℃，相比工况1高2.18℃。与测点A相比，同一风速下测点B的最高温度和日变化幅度均有所减小。当风速由2m/s增大到5、10、15m/s时，最高温度分别升高了0.41、0.77、0.95℃。综合可知，测点A、B的温度在混凝土浇筑后4d内上下波动剧烈，但随着混凝土龄期的不断增长逐渐趋于稳定；风速对距混凝土浇筑块表面0.2m以内的混凝土温度影响显著。不同风速下的温度基本相同，说明风速在15m/s以内时，对距混凝土浇筑块表面超过0.4m的混凝土温度已经影响甚微。
浇筑完成后，受白天高温影响，O点混凝土温度迅速上升至27.89～29.61℃，随后受夜间气温下降的影响，该点混凝土温度迅速降低至17.41～19.55℃；第2天白天又上升至一个新的极值点，随后受施工现场气温骤降影响，O点混凝土温度急剧下降10℃左右。同一环境温度下，风速的增大加大了混凝土表面温度的变化幅度，风速对混凝土表面温度场的影响主要体现在浇筑完成后4d内。
结合计算结果得出不同风速下混凝土浇筑块垂直向温度梯度。外界风速每增大1m/s，混凝土内外温差平均增大0.21℃，垂直向温度梯度相应增大0.14℃/m。不同工况下混凝土最大温度梯度均出现在龄期1-3d，主要原因是内部混凝土温升比较缓慢，而表层混凝土受水泥水化热及外界环境的综合影响温升明显，导致前期出现较大的内外温差。随着混凝土龄期的不断增长，不同工况下混凝土表面温度的差异变得不明显，说明风速对表面混凝土温度场的影响程度随龄期的增长逐渐减弱。
三、结论
（1）距离浇筑块表面不同深度处混凝土温度受风速影响的程度不同，风速对距混凝土浇筑块表面0.2m以内的混凝土温度影响最为显著。
（2）风速在15m/s以内时，对距混凝土浇筑块表面超过0.4m的混凝土温度影响甚微。
（3）随着风速的增大，混凝土表面放热系数增大，混凝土与外界热交换加快，形成较大的内外温差。计算结果表明，外界风速每增大1m/s，混凝土内外温差平均增大0.21℃，浇筑块垂直向温度梯度相应增大0.14℃/ｍ。
（4）外界风速对浇筑块表面混凝土温度场的影响在浇筑完成后4d内最为显著，施工现场风速达15m/s时在浇筑块顶面及时覆盖保温板可有效控制间歇期内混凝土最高温度及日最大温度变幅。
参考文献：
[1]张自喜，孟宪磊.混凝土浇筑温度的降温有效率分析[J].云南水力发电，2018，34（04）
[2]游志雄.大体积混凝土温度应力场分析与温控措施研究[D].重庆大学，2018
论文作者:汤文佩
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第13期
论文发表时间:2019/12/3
标签：混凝土论文; 风速论文; 表面论文; 温度论文; 工况论文; 梯度论文; 系数论文; 《建筑细部》2019年第13期论文;