风速对混凝土浇筑块温度场的影响

刘闯 周宜红 周华维

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。以西南地区某在建混凝土坝为例，对浇筑块表面温度梯度进行实时跟踪监测，确定了外界风速对表面混凝土的影响范围，并建立有限元模型，计算了不同风速条件下混凝土块的温度梯度。结果表明：风速对距混凝土浇筑块表面0.2 m以内的混凝土温度影响最明显，且在浇筑完成后4 d最为显著，及时覆盖保温板可有效控制混凝土的温度梯度。

关键词：风速;数值模拟;表面混凝土;温度梯度

中图分类号：TV315   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.026

Abstract： The wind speed can affect the heat exchange rate between the surface of mass concrete and the outside and change the temperature distribution of concrete. With the increase of wind speed， a large temperature gradient will be formed on the concrete surface. This causes a large surface tensile stress， which increases the risk of surface crack. In this paper， the surface temperature gradient of concrete dam was monitored in real time. The influence of external wind speed to the surface concrete was determined. A finite element model was established to calculate the temperature gradient of concrete under different wind speed conditions. The results show that the effect of wind speed on concrete temperature within 0.2 m of the concrete surface is obvious and the effect of wind is most remarkable in the first four days. The temperature gradient of concrete can be effectively controlled by covering heat preservation board timely.

Key words： wind speed; numerical simulation; surface concrete; temperature gradient

混凝土坝的温度控制与防裂一直是水工结构领域的研究焦点[1]。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為严峻的考验。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241 d，占整年总天数的66.0%，其中干季（1—4月和10—12月）178 d，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。

风速对大体积混凝土温度场的影响主要是通过改变混凝土的表面放热系数来体现，表面放热系数值取决于固体表面粗糙度、流体导热系数、流速等[2]，实际工程中常采用经验公式或根据实测值反演获得[3]。关于有风条件下的混凝土温度场仿真计算，刘建鑫[4]通过模拟试验，统计分析了不同风速、风向对混凝土温度及气孔参数变化的影响;熊文等[5]分析了风环境下结构尺寸对混凝土水化热的影响;高纪宏等[6]依托实际工程提出了大风环境中桥梁施工应采取的防裂措施。以上研究对大风环境中桥梁施工具有一定的指导作用，而混凝土坝体型庞大，浇筑块表面与空气接触面积大，受大风影响更为显著，在水利工程中相关研究还鲜有报道。

鉴于此，笔者结合实际工程特点，开展不同风速对大体积混凝土温度梯度影响的相关研究，以某一仓为例，将风速作为控制变量，考虑水管冷却、表面保温等因素，结合现场实测温度数据，采用数值方法模拟求解不同工况下混凝土块的温度分布状况，分析风对混凝土温度场的影响范围，并分析保温板在大风条件下的温控效果，以此指导施工。

2 工程实例

我国西南地区某在建特高双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m，坝顶厚14 m，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241 d，最大风速达26 m/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。

2.1 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28.36 h，层厚3 m，共分6个坯层，间歇期为9 d。冷却水管分别布设在第一坯层和第四坯层，管长300 m，管间距1.0 m×1.5 m。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3 d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、0.6 m处埋设温度计，分别记为A、B、C、D测点（如图1所示）。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31 500个单元、35 216个节点。