短周期温度荷载对大坝混凝土表面温度应力影响研究

康志亮，卓已峰，叶发金，王振红，汪娟

摘要：为探究外部环境变化形成的短周期荷载对混凝土外观、质量、蓄水等的影响，以周宁抽水蓄能电站碾压混凝土大坝为例，借助三维有限单元法，对昼夜温差和寒潮引起的碾压混凝土重力坝表面温度应力变化进行研究。研究结果表明：加强保温可以明显削减短周期温度荷载的影响，防止裂缝产生；寒潮对混凝土表层影响范围更深，约为1.4～1.6 m。研究成果可帮助制定混凝土温控防裂标准，对短周期温度荷载影响较大区域的工程施工具有一定参考价值。

关键词：大坝混凝土； 温度荷载； 温度应力； 昼夜温差； 寒潮

中图法分类号：TV315               文献标志码：A                  DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.013

文章编号：1006-0081（2024）03-0077-06

0引言

大坝等大体积混凝土已发展出了一套温度控制、防止大坝裂缝的理论体系与混凝土温控防裂方法和措施［1-4］，如改善混凝土配合比、增加混凝土抗裂能力、减小约束程度、控制最高温度和降温速率等，但大坝混凝土裂缝仍时有产生［5］。碾压混凝土筑坝技术迅速发展，也因其独特施工工艺而得到广泛应用，但施工期和运行期裂缝影响大坝的外观和质量。在混凝土的配合比和材料性能方面，可以选择较好的材料，也可通过相关措施控制内部过高的温度，减小基础温差导致的内部裂缝。但环境温度的影响很难消除，且冬夏差距较大，直接影响坝体的温度和应力，导致混凝土裂缝的产生［6］。

昼夜温差和寒潮等短周期溫度荷载易导致混凝土产生裂缝，加强表面保温是防止短周期温度荷载的最有效方法［7-11］，它不但可降低水泥水化热等长周期荷载的影响，也可削减昼夜温差、减轻寒潮等短周期冷击 ［12-16］。保温措施力度的大小一般可根据经验公式得到［17-19］，但经验公式不能得到短周期荷载影响深度、削减的温度变化幅度与降低的温度应力大小。因此，本文以周宁抽水蓄能碾压混凝土大坝为依托，研究东南沿海地区昼夜温差和寒潮冷击等环境温度变化对混凝土表面的影响深度和改善的温度应力状况。

1计算原理与方法

1.1温度场理论

在计算域R内任何一点处，不稳定温度场T（x，y，z，t）须满足热传导方程［1］：

Tt=a2Tx2+2Ty2+2Tz2+θτ（1）

式中：T为温度，℃；a为导温系数，m2/h；θ为混凝土绝热温升，℃；t为时间，d；τ为龄期，d。

1.2应力场理论

混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积应变增量［1］，公式为

{Δεn}={Δεen}+{Δεcn}+{ΔεTn}+{Δεsn}+{ε0n}（2）

式中：{Δεen}为弹性应变增量，{Δεcn}为徐变应变增量，{ΔεTn}为温度应变增量，{Δεsn}为干缩应变增量，{Δε0n}为自生体积应变增量。

由物理方程、几何方程和平衡方程可得任一时段Δti在区域Ri上的有限元支配方程为

［Ki］{Δδ}i={ΔPGi}+{ΔPCi}+{ΔPTi}+{ΔPSi}+{ΔP0i}（3）

式中：{Δδ}i为区域Ri内所有节点3个方向上的位移增量，{ΔPGi}、{ΔPCi}、{ΔPTi}、{ΔPSi}和{ΔP0i}分别为Δti时段内由外荷载、徐变、变温、干缩和自生体积变形引起的等效结点力增量。

2昼夜温差对碾压混凝土重力坝影响

2.1计算模型

短周期温度荷载主要影响混凝土表面结构。为了仿真计算的准确性，采用有限元精细网格进行模拟，模型表面网格最小单元尺寸0.5 cm，向内网格逐渐变粗，为40 m×20 m×10 m（长×宽×高）的三维模型，如图1所示。单元采用六面体等参单元，模型共剖分46 000个单元，53 004个节点。模型主要考虑对混凝土表面的影响，计算时，顶面考虑第三类温度边界条件，4个侧面为绝热边界，底面与地基连接。应力边界条件：地基底部为三向约束，地基四周为单向法向约束。

结合工程所在地的气象特征，得出周宁抽蓄大坝的昼夜温差和寒潮常规变化范围，研究不同龄期混凝土遭遇15 ℃、20 ℃昼夜温差及2 d降6 ℃和15 ℃寒潮时，在不同保温力度条件下距表面一定范围内混凝土的温度应力分布特点。

周宁抽水蓄能大坝主体混凝土为R90C15，其配合比和主要热学参数见表1。

2.2计算工况

研究15 ℃和20 ℃两种昼夜温差的短周期温度变化对不同保温力度下混凝土表面应力的影响，每种温度变化对应的计算条件如表2所示。图2为15 ℃和20 ℃昼夜温差过程，分不同的龄期、2个降温模式，共进行了40个方案计算。

2.3昼夜温差引起的混凝土应力

R90C15碾压混凝土昼夜温差时表面最大拉应力见表3。根据表3可知，在无表面保护措施的情况下，R90C15碾压混凝土遭遇15 ℃和 20 ℃昼夜温差时，表面最大拉应力分别为1.26 MPa和1.68 MPa；采取不同的表面保温措施后，表面最大拉应力水平有不同程度的下降，当保温力度达到β ≤3 kJ/（m2·h·℃）时，混凝土的表面最大拉应力可降至0.13～0.17 MPa。通过保温来降低环境温度变化对混凝土表面的影响十分有效，保温后内外温差减小，混凝土表面拉应力降低。

R90C15碾压混凝土不同龄期昼夜温差15 ℃和20 ℃时拉应力沿深度分布曲线见图3～4。由图可知，昼夜温差对混凝土表层的影响范围在0.8～1.0 m。

图5为冬季考虑昼夜温差20 ℃短周期温度影响应力过程线。由图5可知，表面无保温，混凝土遭遇20 ℃昼夜温差时（按3，7，14，28，90 d龄期时考虑），叠加上20 ℃的昼夜温差应力，表面最大拉应力为1.94 MPa，超过了混凝土的抗拉强度，抗裂安全系数低于1.0；加强表面保温，保温力度达到β≤3 kJ/（m2·h·℃）时，表面最大拉应力为0.43 MPa，温度变化对混凝土表面的影响显著降低。

3寒潮对碾压混凝土重力坝影响

3.1计算工况

寒潮指日平均气温在数日（2～6 d）之内急剧下降（降幅超过5 ℃）。研究2 d降温6 ℃和降温15 ℃两种寒潮冷击短周期变化对不同保温力度下混凝土表面应力的影响，每种温度变化对应的计算条件如表4所示。图6为2 d中骤降6 ℃和15 ℃的降温模式，分为不同的龄期，2个降温模式，共进行了40个方案的计算。

3.2寒潮引起的混凝土应力

R90C15碾压混凝土遭遇寒潮时表面最大拉应力见表5。在无表面保护措施的情况下，R90C15碾压混凝土遭遇6 ℃寒潮，表面最大拉应力为1.50 MPa；遭遇15 ℃寒潮，表面最大拉应力为3.76 MPa。采取不同的表面保温措施后，表面最大拉应力水平有不同程度的下降，当保温材料的β≤3 kJ/（m2·h·℃）时，遭遇6 ℃寒潮，混凝土的表面最大拉应力可降至0.31 MPa；遭遇15 ℃寒潮，混凝土的表面最大拉应力可降至0.77 MPa。

R90C15碾压混凝土不同龄期遭遇寒潮6 ℃和15 ℃时拉应力沿深度分布曲线见图7～8。由圖中可知，寒潮对混凝土表层的影响范围为1.4～1.6 m。

图9为冬季考虑遭遇寒潮6 ℃短周期温度影响应力过程线。由图可知，表面无保温情况下，混凝土遭遇6 ℃寒潮时（按3，7，14，28，90 d龄期时考虑），叠加上6 ℃寒潮应力，表面最大拉应力为1.76 MPa，早龄期抗裂安全系数低于1.0；加强表面保温，保温力度达到β≤3 kJ/（m2·h·℃）时，表面最大拉应力为0.57 MPa。混凝土龄期越长，遭遇寒潮时产生的拉应力越大，同时保温后应力降低幅度越大。在寒潮来临前施加有效保温措施可以削弱寒潮带来的不利影响，显著降低了混凝土表面的开裂风险。

4结论

（1） 短周期气温变化对大坝表面温度应力有重要影响，叠加水泥水化热温升，会导致混凝土表面产生较大温度应力，容易产生表面裂缝，特别是在昼夜温差较大和寒潮冷击较频繁的地区大坝更易产生表面裂缝。

（2） 不采取表面保温措施情况下，混凝土遭遇15 ℃和20 ℃昼夜温差或者寒潮时，表面最大拉应力超过了混凝土抗拉强度，开裂风险很大；采取不同的表面保温措施后，表面最大拉应力水平有不同程度的下降，保温力度越大，温度变化对混凝土表面的影响越弱，应力减小幅度越大。加强保温对防止外界环境气温剧烈变化效果明显。

（3） 昼夜温差和寒潮冷击的影响范围主要局限于混凝土表面，计算结果显示，昼夜温差对混凝土表层的影响范围在0.8～1.0 m，寒潮对混凝土表层的影响范围在1.4～1.6 m。

参考文献：

［1］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国电力出版社，1999.

［2］董时全.日照引起的砼空心高墩温度应力状态分析［J］.交通标准化，2012（14）：155-157.

［3］丁宝瑛，王国秉，黄淑萍，等.国内混凝土坝裂缝成因综述与防止措施［J］.水利水电技术，1994（4）：12-18.

［4］WANG Z，LIU Y，XIN Z，et al.Schematic study on temperature control and crack prevention during spillway tunnel concreting period ［J］.Materials and Structures，2015，48（11）：3517-3525.

［5］李庆斌，石杰.大坝建设4.0［J］.水力发电学报，2015，34（8）：1-6.

［6］WANG Z，ZHANG G，LIU Y，et al.Sensitivity analysis of temperature control parameters and study on simultaneous cooling zone during dam constructions in high altitude regions ［J］.Mathematical Problems in Engineering，2015（3）：1-12.

［7］WANG Z，LIU Y，YU S.Surface thermal insulation and pipe cooling of spillways during concrete construction period ［J］.Mathematical Problems in Engineering，2014（7）：1-7.

［8］朱岳明，贺金仁，石青青.龙滩高碾压混凝土重力坝仓面长间歇和寒潮冷击温控防裂分析［J］.水力发电，2003，29（5）：6-9.

［9］朱伯芳.高温季节进行坝体二期水管冷却时的表面保温［J］.水利水电技术，1997（4）：10-13.

［10］陈拯，金峰，王进廷.拱坝坝面太阳辐射强度计算［J］.水利学报，2007，38（12）：1460-146.

［11］王進廷，杨剑，金峰.左右岸日照差异对高拱坝下游坝面温度应力的影响［J］.水力发电，2006，32（10）：41-43.

［12］李志磊，干钢，唐锦春.考虑辐射换热的建筑结构温度场的数值模拟［J］.浙江大学学报（工学版），2004，38（7）：915-920.

［13］刘文燕，耿耀明.混凝土表面太阳辐射吸收率试验研究［J］.混凝土与水泥制品，2004 （4）：8-11.

［14］艾兵，原明昭.房屋结构在日照作用下温度场的数值计算建筑结构［J］.建筑结构，1995（4）：46-48.

［15］WANG Z，WANG Z H，ZHANG G.The Impact of cold wave strike on thin-walled concrete structure［J］.Advanced Materials Research，2012，1615：446-449.

［16］WANG Z，YU S，LIU Y.The Impact of temperature difference between day and night on thin-walled concrete structure［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，1977：212-213.

［17］张子明，石端学，倪志强.寒潮袭击时的温度应力及简化计算［J］.红水河，2006，25（2）：119-127.

［18］李金玉，曹建国，田军涛，等.混凝土表面保温保湿抗裂防水喷涂技术的开发及应用［J］.水力发电，2002（2）：24-25，68.

［19］李庆斌，林鹏.论智能大坝［J］.水力发电学报，2014，33（1）：139-146.

（编辑：张爽）

Influence studies of short-period temperature load on temperature stress of dam concrete surface

KANG Zhiliang1，ZHUO Yifeng2，YE Fajin2，WANG Zhenhong3，WANG Juan3

（1.Fujian Branch，China Huadian Group Co.，Ltd.，Fuzhou 350001，China；2.Huadian Fuxin Zhou Ning Pumped Storage Co.，Ltd.，Ningde 352100，China；3.Department of Structures and Materials，China Institute of Water resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract： In order to explore the influence of short-term loads formed by external environmental changes on the appearance，quality，water storage，etc.，of concrete，taking the rolled concrete dam of Zhouning Pumped Storage Power Station as an example，the surface temperature stress changes of the rolled concrete gravity dam caused by temperature difference between day and night and cold wave were studied by using three-dimensional finite element method.The results showed that strengthening heat preservation can significantly reduce the impact of short-term temperature loads and prevent cracks from forming.The influence of cold wave on concrete surface was deeper，with a depth of about 1.4～1.6 m.The research results can help to formulate concrete temperature control and crack prevention standards，and had a certain reference value for engineering construction in areas with significant impact of short-term temperature loads.

Key words： dam concrete； temperature loads； temperature stress； diurnal temperature variation； cold wave