沙河渡槽施工期温度场分析

唐献富

河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016

南水北调中线一期工程总干渠有多处河渠交叉型式为渠道渡槽方案。渡槽结构尺寸大、跨度大，材料强度高（一般采用C50预应力混凝土），结构较为复杂。在施工期内，混凝土结构受到外界温度和混凝土材料、拌制、浇筑、养护等诸多因素的影响，温度荷载是引起结构裂缝的主要因素之一，尤其是对于渡槽这样的薄壁结构影响更大。笔者对沙河渡槽槽身施工期温度场进行了分析，提出了渡槽施工期温度控制及防止结构出现温度裂缝的重点。

1 工程概况

沙河渡槽［1］是南水北调中线一期工程总干渠跨越沙河、将相河及大郎河3条河流的交叉建筑物，位于河南省鲁山县东约3km，建筑物全长9050m、设计总水头差为1770mm，由沙河梁式渡槽、沙河-大郎河箱基渡槽、大郎河梁式渡槽、大郎河-鲁山坡箱基渡槽及鲁山坡落地槽5部分组成。

其中沙河梁式渡槽长1410m，双线输水，共4槽，4槽各自独立，每2槽支承于一个下部槽墩上，跨径为30m，共47跨；槽身为C50预应力钢筋混凝土U型槽结构，单槽内径为8m，直段高3.4m，U型槽净高7.4m，U型槽壁厚0.35m，槽底局部加厚至0.9m，宽2.60m；槽顶纵向每3m设拉杆，拉杆宽0.5m，高0.5m；槽两端设端肋，端肋部位总高9.2m、宽2.0m，跨径为30m。

沙河-大郎河箱基渡槽长3534m，双线双槽，单槽净宽12.5m，钢筋混凝土结构；大郎河梁式渡槽长300m，跨径及结构形式同沙河梁式渡槽；大郎河-鲁山坡箱基渡槽长1820m，结构形式同沙河-大郎河箱基渡槽；鲁山坡落地槽长1335m，矩形单槽形式，槽净宽22.2m，钢筋混凝土结构。

工程所处地区为温带季风气候区，多年平均气温为14.8℃，各月气温情况见表1。

表1 沙河渡槽工程区多年月平均气温

渡槽槽身为C50预应力混凝土结构，拟采用预制混凝土施工工艺和蒸汽养护制度。蒸汽养护温度分为45℃和60℃两个方案，升温及降温速度拟定为5℃/h、10℃/h、15℃/h三个方案。

2 温度场计算原理

根据热传导理论［2］，施工期渡槽结构非稳定温度场［3］T（x，y，z，t）在区域A内应满足下述方程：

当t=0时，T=T₀（x，y，z），在边界C₁上T=T_b，在边界C₂上有

在绝热边界C₃上。

式中：a=λ/cρ为导温系数，c为比热，ρ为容重，λ为导热系数；β为表面散热系数；θ为绝热温升；n为边界外法线方向；l_x、l_y、l_z为边界外法线的方向余弦；T₀为给定的初始温度；T_a、T_b为给定的边界气温和水温。

考虑泛函数极值条件，将区域A离散为有限单元可推导出温度杨计算公式［3］：

已知t-Δt时刻的温度场T_t-Δt时，可求解式（3）得到t时刻的温度场。设定混凝土入仓时t=0，根据该时刻结构内温度分布，可以依次求得各时刻的温度分布。

3 温度场分析计算

3.1 计算模型

沙河梁式渡槽槽身截面见图1。利用ANSYS有限元程序模拟槽身温度场。槽身为简支梁结构，其结构和荷载具有对称性，因此取半跨槽身建模，坐标系按右手法则选定，即水流方向为X轴、横向向右为Y轴、向上为Z轴。槽身计算网格划分见图2。

图1 槽身横截面（单位：mm）

图2 槽身计算网格

3.2 计算工况

槽身为薄壁结构，确定混凝土浇筑温度最低5℃、最高28℃，拆模时控制混凝土结构内外温差不超过15℃［4］。

从工程区的气温资料来看，12月、1月、2月的平均气温均低于5℃，6月、7月、8月的平均气温接近28℃，但是时段气温高于28℃。12月、1月、2月采用的浇筑温度为5℃，6月、7月、8月采用的浇筑温度为28℃。因此，选定浇筑温度5℃和28℃为典型计算温度，采取蒸汽养护，养护温度为45℃和60℃，升降温速度选取5℃/h、10℃/h、15℃/h三种。槽身施工期温度场计算工况见表2。

表2 槽身施工期温度场计算工况

3.3 计算结果

对不同计算工况进行了温度场分析计算，其中混凝土结构尺寸最厚的槽身端底部截面A-A及具有代表性的槽身中间截面C-C的温差分析结果分别见表3、表4，温差为正时表示内部温度高于表层温度，温差为负时表示内部温度低于表层温度。

表3 A-A断面底部混凝土内外部温差

表4 C-C断面侧壁混凝土内外部温差

4 温度场计算结果分析

总的来看，蒸汽养护对混凝土从浇筑到养护结束的施工期温度场有着较大的影响。

预养期，混凝土在浇筑后至蒸汽养护前4～6h持续水化，强度不断提高，内外温差加大，渡槽底部较厚，混凝土内外温差可达20℃，侧壁混凝土内外温差约10℃。此时混凝土弹性模量较小，因此槽身不会产生较大的温度应力［5］。

蒸汽养护期间，混凝土结构内温度变化历经升温期-恒温期-降温期。

升温期，表层混凝土随蒸汽升温均匀上升，内部混凝土主要在水化热作用下升温，由于混凝土是热的不良导体，内部温度上升滞后于蒸汽温度上升。升温结束时，表层混凝土达到蒸汽养护温度（45℃或60℃），内部混凝土温度低于蒸汽养护温度（除了槽身端底部在浇筑温度28℃蒸汽养护温度45℃工况），升温速度越快，混凝土结构的内外温差越大。45℃蒸汽养护时混凝土内外温差为2～24℃，60℃蒸汽养护时混凝土内外温差为4～38℃。对于浇筑温度为5℃、养护温度为45℃、升温速度为5℃/h的工况以及浇筑温度为28℃、养护温度为60℃、升温速度为5℃/h的工况基本能够满足15℃的控制温差要求，对于其他升温速度工况大多不能满足温差控制要求，但是为负温差，即外部温度高于内部温度。

恒温期，蒸汽养护温度保持不变，混凝土持续水化，结构内部温度上升，蒸汽养护初期槽身混凝土内外温差逐渐减小。在恒温持续30h后，大部分截面的温差小于10℃，槽身底部温差也在15℃以内，仅有槽身端底部处内外温差较大，在夏季浇筑（浇筑温度为28℃）、45℃蒸汽养护时，温差达到24℃。

降温期，蒸汽降温时混凝土仍在持续水化，当蒸汽温度降至与外界气温一致时，内部混凝土温度仍然较高，结构内外温差达到最大。各工况温差基本上都大于15℃，尤其是混凝土截面较厚的端部槽底内外温差更大，在冬季浇筑（浇筑温度5℃）、60℃蒸汽养护时，温差达到55℃；而且降温速度越快，混凝土内外温差越大。针对该问题，在降温结束后，延长槽身在蒸汽养护棚内的静置时间，亦即延长有效降温时间，从而达到减小结构内外温差的目的。对于较厚的渡槽底部混凝土，延长24h后混凝土内外部温差仍不能满足小于15℃的要求，而其他部位在经过约20h的静置后，基本可满足该限制温差设计要求。

5 结论

（1）预养期，混凝土温度持续上升，强度增加，水化热温升速率不大的情况，温度变化也不大，且浇筑后8～12h，混凝土强度尚低、弹性模量不大，不会产生较大的温度拉应力而引起槽身开裂。

（2）升温期，关键控制指标是升温速度，升温速度越快，升温结束时刻混凝土内外温差越大。从计算分析来看大部分工况下混凝土内外温差都超过15℃，但是升温期温差多为外层温度高于内部温度，混凝土主要表现为压应力，可适当放宽升温阶段的混凝土内外温差要求。

（3）恒温期，水化过程持续发展，混凝土强度快速增加，内部温度继续上升，内外温差逐渐减小，一般由负温差转为正温差，有些工况又出现温差进一步加大现象。升温结束时刻混凝土内部温度与设定蒸汽养护温度的差值决定了恒温期混凝土的内外部温差，该差值越大，就需要更长的恒温时间以降低混凝土内外部温差。因此宜适当延长恒温时间，对于夏季浇筑槽身宜适当降低浇筑温度，使用低热水泥等措施。

（4）降温期，由于混凝土是热的不良导体，受水化热内部温升的影响，降温结束后混凝土内外温差不能满足15℃限值的要求，降温期混凝土外层会产生较大的拉应力，因此应采用较慢的降温速度（宜控制5℃/h），并且在蒸汽降温结束后应延长不小于24h蒸汽养护棚静置时间，等待结构内部温度下降，满足不超过15℃温差的设计要求。

（5）建议夏季采用浇筑温度不高于28℃、60℃蒸汽养护、恒温期36h、降温速度控制在5℃/h左右、降温后延长在蒸汽养护棚静置时间不小于48h；其他季节采用浇筑温度不低于5℃、45℃蒸汽养护、恒温期36h、降温速度控制在5℃/h左右、降温后延长在蒸汽养护棚静置时间不小于48h。

参考文献

［1］河南省水利勘测设计研究有限公司.沙河渡槽初步设计报告［R］.郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，2010.

［2］胡汉平.热传导理论［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，2010.

［3］张富德，薛慧，陈凤岐，等.碾压混凝土坝非稳定温度场计算预测与工程实测的比较［J］.清华大学学报：自然科学版，1998（1）：75-78.

［4］陈福厚，周厚贵，等.DL/T 5144-2001 水工混凝土施工规范［S］.北京：中国电力出版社，2002.

［5］高虎，刘光廷.考虑温度对于弹模影响效应的大体积混凝土施工期应力计算［J］.工程力学，2001（6）：61-67.