嚴(yán) 娟，季日臣，馬虎迎

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

在我國(guó)北方地區(qū)，通常是夏季炎熱、冬季寒冷且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，年內(nèi)氣溫變幅大，晝夜溫差大且寒潮頻繁，這給箱形渡槽施工帶來(lái)了巨大困難，往往被迫冬季停工而夏季施工［1］．這種施工方式給渡槽溫度控制帶來(lái)嚴(yán)峻問(wèn)題:冬季停工時(shí)，混凝土已充分冷卻，當(dāng)次年春季及夏季繼續(xù)澆筑混凝土，會(huì)產(chǎn)生很大的溫差，到次年冬季，與內(nèi)外溫差引起的拉應(yīng)力疊加，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，可能引起渡槽表面產(chǎn)生裂縫，特別是越冬層面極易開(kāi)裂［2］．解決這一問(wèn)題最好的方法，就是采取有效的保溫措施，以減小箱形渡槽的表面溫差，從而減小溫度應(yīng)力．因此，研究寒冷地區(qū)箱形渡槽表面的保溫措施效果，對(duì)施工期和運(yùn)行期渡槽的溫度應(yīng)力和溫度控制措施以及保證其安全都具有重要意義．本文根據(jù)朱伯芳院士提出的計(jì)算大體積混凝土表面保溫能力的理論公式，分別對(duì)箱形渡槽在不采取保溫措施、采用3和5 cm厚的聚氨酯保溫板3種情況下的溫度變化和溫度應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析．

1 越冬期間混凝土箱形渡槽保溫計(jì)算

1．1 混凝土箱形渡槽溫度計(jì)算

越冬期間渡槽表面溫度T按下式計(jì)算:

式中:Q為降溫歷時(shí);A為氣溫降幅;τ為時(shí)間;τ1為混凝土齡期;α為混凝土導(dǎo)溫系數(shù);λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù);β為混凝土表面放熱系數(shù)．

由于混凝土表面放熱系數(shù)β對(duì)混凝土表面的溫度梯度和溫度應(yīng)力有重要影響，其數(shù)值與風(fēng)速有密切關(guān)系［4］:粗糙表面，β=23．9+14．50v;光滑表面，β=21．8+13．53v，其中v為風(fēng)速．本文中v=7．0 m/s，表面光滑，則β=116．06 kJ/(m2·h·℃)

當(dāng)有保溫板時(shí)，保溫板的放熱系數(shù)βs可按下式計(jì)算:βs=(1/β0+h/λs)－1，其中h為保溫板厚度;λs為保溫板導(dǎo)熱系數(shù);β0為保溫板外表面與空氣之間的放熱系數(shù)，通?？扇ˇ?=41．1～83．7 kJ/(m2·h·℃)，本文取β0=80 kJ/(m2·h·℃)．

對(duì)于渡槽棱角部位，由于雙向散熱，混凝土角點(diǎn)溫度下降最快，按下列近似公式計(jì)算:

1．2 混凝土箱形渡槽溫度應(yīng)力計(jì)算

已知混凝土表面溫度，對(duì)不同齡期、不同降溫歷時(shí)進(jìn)行計(jì)算，得出越冬期間混凝土表面最大溫度應(yīng)力計(jì)算公式如下［5］:

式中:ρ2為松弛系數(shù);E(τm)為齡期為τm時(shí)的彈性模量;τm為混凝土的平均齡期．

2 混凝土表面保溫的計(jì)算原理

當(dāng)大體積混凝土表面不采用保溫措施時(shí)，外表面直接暴露于大氣中，采用第三類邊界條件;如果混凝土表面附有保溫材料，仍按第三類邊界條件計(jì)算，放熱系數(shù)采用保溫板材料放熱系數(shù)．采用保溫板保溫這種方法相當(dāng)于在混凝土表面增加了一層保護(hù)層，減小表層混凝土的放熱系數(shù)，進(jìn)而減緩與外界的熱交換，提高表層混凝土的溫度，從而減小表層混凝土的溫度應(yīng)力．保溫效果與保溫板的放熱系數(shù)βs有關(guān)，混凝土表面溫度應(yīng)滿足:，其中:n為箱身外法線方向;T為混凝土表面溫度;Ta為外界氣溫．

3 工程實(shí)例

3．1 工程資料

本文以柳林溝渡槽為例，槽身總長(zhǎng)度L=180 m，根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖要求，渡槽截面凈高4．0 m，凈寬5．0 m，槽身混凝土厚度為底部35 cm，腹部30 cm，頂部25 cm，縱向坡度為1/1 300，渡槽混凝土粗糙率為0．014．槽身采用C30號(hào)混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)λ=1．74 W/(m·℃)，泊松比μ=0．167，導(dǎo)溫系數(shù)a=0．10 m2/d，混凝土線膨脹系數(shù)α=1．0×10－5;聚氨酯保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)λs=0．016 3 W/(m·℃)．

3．2 朱伯芳公式計(jì)算結(jié)果

越冬期間，箱形渡槽溫度變化及溫度應(yīng)力計(jì)算包括不保溫、采用3和5 cm厚的聚氨酯保溫板3種情況．假定此次越冬期間從10月中旬至次年1月中旬，Q=90 d，A=15℃．這3種情況下在不同時(shí)間渡槽表面和棱角處的溫降和最大溫度應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1．

表1 渡槽表面和棱角處的溫降和溫度應(yīng)力Tab．1 Values of temperature drop and thermal stress on aqueduct surface and corners

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得出3種情況下的溫度應(yīng)力曲線，如圖1所示．

圖1 不保溫和保溫時(shí)渡槽表面和棱角處溫度曲線Fig．1 Thermal stress curves of non-insulation and insulation on aqueduct surface and concerns

從圖1可以看出:箱形渡槽在冬季無(wú)保溫措施時(shí)，其表面和棱角處的溫度應(yīng)力都較大，采用聚氨酯保溫板保溫后可有效減小溫度應(yīng)力，并且棱角處的溫度應(yīng)力要比表面的大．從圖1(c)可以看出:在渡槽表面和棱角處，采用5 cm厚的聚氨酯保溫板的溫度應(yīng)力明顯比采用3 cm時(shí)的溫度應(yīng)力要小．

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用朱伯芳公式計(jì)算并對(duì)比箱形渡槽在不保溫、采用3和5 cm厚的聚氨酯保溫板3種情況下的槽身表面和棱角處的溫度變化和溫度應(yīng)力，可得出以下結(jié)論:

(1)在寒冷地區(qū)，箱形渡槽冬季停工，表面溫度應(yīng)力變化大，會(huì)出現(xiàn)較大溫差裂縫，采取合適的保溫板對(duì)渡槽表面進(jìn)行表面保護(hù)，可明顯減小表面溫度梯度和內(nèi)外溫差，有效降低溫度應(yīng)力．

(2)由于箱形渡槽棱角處是雙向散熱，該部位溫度降低較快，溫度應(yīng)力也較大，極易產(chǎn)生裂縫，所以該部位的保溫材料厚度應(yīng)加倍．

(3)采用3和5 cm厚的聚氨酯保溫板的溫度應(yīng)力比不保溫時(shí)分別降低了48%和60%左右，而采用5 cm厚的聚氨酯保溫板的溫度應(yīng)力比采用3 cm厚的降低了25%左右．所以建議采用5 cm厚的聚氨酯保溫板進(jìn)行保溫，可以有效縮小表面拉應(yīng)力區(qū)域和深度達(dá)到較好的越冬保溫效果，防止表面裂縫的出現(xiàn)．

［1］張曉飛，陳堯隆，李守義，等．寒冷地區(qū)混凝土壩表面保溫效果研究［J］．河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(1):98-103．(ZHANG Xiao-fei，CHEN Yao-long，LI Shou-yi，et al．A study of the effect of superficial insulation of RCC dam in cold area［J］．Journal of Agricultural University of Hebei，2010，33(1):98-103．(in Chinese))

［2］朱伯芳，吳龍珅，李玥，等．混凝土壩施工期壩塊越冬期間溫度應(yīng)力及表面保溫計(jì)算方法［J］．水利水電技術(shù)，2007，38(8):34-37．(ZHU Bo-fang，WU Long-shen，LI Yue，et al．The thermal stress and superficial thermal insulation of concrete dam under construction in winter in cold region［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2007，38(8):34-37．(in Chinese))

［3］朱伯芳．大體積混凝土表面保溫能力計(jì)算［J］．水利學(xué)報(bào)，1987(2):18-26．(ZHU Bo-fang．The surface insulation capacity calculation of mass concrete［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1987(2):18-26．(in Chinese))

［4］王同生，于子忠．涵閘混凝土的溫度應(yīng)力與溫度控制［M］．北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2010:53-54．(WANG Tongsheng，YU Zi-zhong．The thermal stress and temperature control of culvert concrete［M］．Beijing:China Environmental Science Press，2010:53-54．(in Chinese))

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［9］朱伯芳．大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，1998．(ZHU Bo-fang．Thermal stress and temperature control of mass concrete［M］．Beijing:China WaterPower Press，1998．(in Chinese))

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