一种圆形断面衬砌混凝土施工期内部最高温度的计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工程结构混凝土温控防裂技术领域，具体的说是一种圆形断面衬砌混 凝土施工期内部最高温度的计算方法。
【背景技术】
[0002] 近些年建设的大断面高强度地下水工衬砌混凝土，只要不采取有效的温控措施， 无一例外地都产生了大量裂缝，而且大多是施工期产生贯穿性的温度裂缝（参见图Ia和图 Ib)。危害性裂缝的存在严重影响着工程结构的整体性、安全性、施工进度工期、导致渗漏甚 至渗透破坏、耐久性和寿命、工程造价和美观，还可能诱发其它病害的发生和发展。因此，地 下水工混凝土施工期温度裂缝的控制成为工程界十分关心的重要问题，开展了系列而深入 的研究，在工程中采取了较为严厉的温控防裂措施。
[0003] 《水工混凝土结构设计规范》在4. 1. 2(3)要求"对使用上要求进行裂缝控制的结 构构件，应进行抗裂或裂缝宽度验算"，在4. 1. 8规定"建筑物在施工和运行期间，如温度的 变化对建筑物有较大影响时，应进行温度应力计算，并宜采用构造措施和施工措施以消除 或减少温度应力"。《水工隧洞设计规范》(DL/T5195-2004)仅在11. 2. 6条要求"温度变化、 混凝土干缩和膨胀所产生的应力及灌浆压力对衬砌的影响，宜通过施工措施及构造措施解 决。对于高温地区产生的温度应力，应进行专门的研究"。
[0004] 对使用上要求控制裂缝的地下工程衬砌混凝土（如高流速泄洪洞、发电洞引水段 等）在施工期的温控防裂设计计算和内部最高温度的计算，目前一般采用有限元法和参考 大体积混凝土最高温度计算（以下大体积混凝土最高温度计算法）的方法。
[0005] 有限元法，在完成结构设计和混凝土配合比和大量性能参数试验后，对于具体的 温控措施方案通过仿真计算。这样做，精度较高，但需要先进行混凝土配合比和大量性能参 数试验，试验和仿真计算需要花费较多的时间、资金；对于没有确定施工配合比和没有混凝 土性能试验时无法进行；不能适用于初步设计阶段和施工中方案快速调整。
[0006] 大体积混凝土最高温度计算法，首先根据拟定混凝土出机口温度或者商品混凝土 出机口温度计算入仓温度
[0007] Tb=IV(T1-T2)(Qje2) (1)
[0008] 式中：Tb表示混凝土入仓温度，°C ; Θ i表示混凝土装、卸和转运等系数；Θ 2表示 混凝土运输过程中的温度变化系数，Θ 2 = AXt，A取0. 002, t值为运输时间；1\表示外界 气温，"^义表不出机口温度，°c。
[0009] 然后计算混凝土浇筑温度
[0010] T0= Tb+0PT (T1-Tb) (2)
[0011] 式中：T。表示混凝土浇筑温度，°C ;1\表示外界气温，°C ;Tb表示混凝土入仓温 度，°C ; θ p表示混凝土浇筑过程中倒灌系数，缺乏资料时可取〇. 002~0. 003/min ; τ表 示铺料平仓振捣至上层混凝土覆盖前的时间（min)。
[0012] 最后根据水泥的水化热计算混凝土的最终绝热温升和内部最高温度
[0013] 混凝土最终绝热温升：Tc= (Q ?* ω ) / ( p * α ) (3)
[0014] 混凝土内部最高温度：Tmax= T。+ ξ (4)
[0015] 式中：Q。表示每kg水泥的总发热量，kj/kg ; ω表示每Im3混凝土的水泥用量，kg/ m3;a表示混凝土的比热，kj/kg· °C ;P表示混凝土表观密度，kg/m3。Tmax表示混凝土内 部中心最高温度，°C;T。表示混凝土浇筑温度，°C;T t表示在t龄期时的混凝土的绝热温 升，°C ; ξ表示不同浇筑层厚和不同龄期的降温系数。
[0016] 大体积混凝土最高温度计算法，由于有大量系数取值，人为性强，而且有的大体积 系数对于衬砌混凝土不一定适用，如不同浇筑层厚和不同龄期的降温系数ξ，因此误差经 常较大。
[0017] 综合以上情况说明，目前衬砌混凝土施工期最高温度的计算方法并不完善，有限 元法，需要先进行混凝土配合比和大量性能参数试验，试验和仿真计算需要花费较多的时 间、资金，不能适用于初步设计阶段和施工中方案快速调整。大体积混凝土最高温度计算 法，误差经常较大。
【发明内容】
[0018] 本发明的目的主要是针对现有技术存在的不足，提出一种圆形断面衬砌混凝土施 工期内部最高温度的计算方法。
[0019] 为了解决上述技术问题，本发明以溪洛渡水电站水工隧洞圆形断面结构衬砌混凝 土 113仓现场温控观测和裂缝检查成果为基础，采用如下技术方案。
[0020] -种圆形断面衬砌混凝土施工期内部最高温度的计算方法，其衬砌混凝土内部最 高温度T niax，其计算公式为
[0021] Tnax= 4. 8478Η+0. 1029C+0. 9508Τ 〇+0. 0466Tg+0. 1686Ta-〇. 017 (T0 · Tg)+9. 967 (5)
[0022] 式中：H-衬砌混凝土结构厚度（m);
[0023] C-衬砌混凝土按90天龄期设计的强度等级（MPa);
[0024] T。一浇筑温度（°C );
[0025] Ta-衬砌混凝土浇筑施工时洞内空气温度（°C );
[0026] Tg= 35-T w，代表通水温度效应值（°C )，Tw为通水温度，取T w= 35°C计算T g= 0 时代表没有通水冷却；
[0027] 将衬砌结构厚度、混凝土强度等级、浇筑温度、通水冷却及其水温、洞内气温代入 式（5)计算获得对应温控防裂方案砌混凝土施工期内部最高温度。
[0028] 必须指出的是，（1)衬砌混凝土采用28天龄期设计的强度等级时，需要按照规范 换算为90天龄期设计的强度等级；（2)施工期如果采用挂帘保温，使得地下洞室空气温度 提高，则！；应该采用提高后的洞内空气温度。另外，衬砌混凝土的厚度一般较小，以上通水 冷却水管都是单列布置，即各公式适用于单列布置通水冷却水管的情况。
[0029] 所述衬砌混凝土内部最高温度计算公式（5)还可以用于温控防裂方案设计。首先 拟定多组可行温控防裂措施方案，分别用式（5)计算衬砌混凝土内部最高温度，在计算值 小于允许最高温度和经济、简单可行的条件下优选设计温控防裂方案。
[0030] 所述圆形断面衬砌混凝土内部最高温度计算方法，可以用于椭圆形、马蹄形、门洞 形及其组合的其它断面形式的衬砌混凝土。
[0031] 所述圆形断面衬砌混凝土，包括地面上与地面紧贴的板式衬砌、塔式、平台及其组 合的其它类似结构工程混凝土，即只要将该结构工程混凝土等效厚度、混凝土强度等级、浇 筑温度、通水冷却及其水温、气温或者其它环境温度替代T a代入式（5)，即可以计算得该结 构工程混凝土施工期的最高温度或者进行其温控方案优化设计。
[0032] 所述公式（5)是根据如下技术方案获得的。对溪洛渡水电站水工隧洞圆形断面结 构衬砌混凝土 113仓现场温控观测（图3)和裂缝检查成果分为有、无裂缝，并将各结构段 衬砌混凝土观测最高温度Τ_、Λ T和Λ Tniax与相应浇筑时间的关系示于图4~图5。将溪 洛渡水电站水工隧洞圆形断面结构衬砌混凝土 113仓现场温控观测成果，采用线性回归统 计分析得到。
[0033] 本发明一种圆形断面衬砌混凝土施工期内部最高温度的计算方法的优点是：本发 明方法既可以计算具体施工温控措施方案条件下混凝土的内部最高温度，也可以通过对多 组拟定温控防裂措施方案内部最高温度的计算，在计算值小于允许最高温度和经济、简单 可行的条件下设计温控防裂方案。混凝土内部最高温度计算值与现场测量、有限元法计算 成果的误差很小，仅2. 3 %，精度高，计算简单。可以推广在实际工程中圆形断面衬砌混凝土 内部最高温度的计算，特别是初步设计和施工期实时快速计算衬砌混凝土的最高温度。
【附图说明】
[0034] 图Ia为泄洪洞衬砌混凝土裂缝的示意图。
[0035] 图Ib为图Ia的局部放大图。
[0036] 图2为泄洪洞有压段圆形断面衬砌混凝土结构示意图。
[0037] 图3为圆形断面衬砌混凝土的最高温度、浇筑温度、洞内气温与浇筑时间的关系 图。
[0038] 图4为圆形断面衬砌混凝土观测Τ_、Λ T与浇筑时间的关系图。
[0039] 图5为圆形断面衬砌混凝土观测Τ_、Λ Tniax与浇筑时间的关系图。
[0040] 图6为泄洪洞洞室气温年变化曲线图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图，对本发明进行进一步说明。
[0042] 以某水电站泄洪洞有压段圆形断面衬砌混凝土温控防裂为例。
[0043] 1、基本资料
[0044] 某水电站为大（一）型工程，泄洪洞为主要建筑物（I级），有压段为圆形断面，衬 砌和围岩类别列于表1。衬砌断面的内径为7. 5m(图2)，衬砌混凝土设计强度等级C9Q40， 结构段分缝长度为9m。根据开挖初期洞内实测资料和设计院提供的资料，设计单位取多年 平均气温为23. 5°C，气温年变幅为I. 5°C，根据规范采用余弦公式（6)计算。施工条件，招 标文件可以提供出机口 14°C制冷商品混凝土，实现浇筑温度18°C。可以提供两种水供通水 冷却用，一是8°C制冷水；二是常温自来水，夏季22°C，冬季10°C。
[0046] 式中：Ta为洞内τ时刻的空气温度；
[0047] τ为距1月1日的时间（天）；
[0048] τ。为洞内最高气温距1月1日的时间（天），取τ。= 210天。
[0049] 表1泄洪洞衬砌和围岩分类
[0051] 2、设计技术要求
[0052] 设计院根据有关设计规范、混凝土配合比优化及其性能试验、夏季浇筑有限元法 计算成果（洞内气温采用式6)，确定了泄洪洞有压段衬砌混凝土采用C 9(]40,浇筑段长度 9m，有压段底拱浇筑温度不超过18°C，最高温度不大于37°C，有压段