大型水電站廠房施工期混凝土開裂機(jī)理和防裂方法研究

頡志強(qiáng) 強(qiáng) 晟 陳守開 王海波 李軍輝

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,南京 210098;2.中國水利水電第四工程局,西寧 810006)

在自由狀態(tài)下,均勻變形的混凝土并不產(chǎn)生應(yīng)力,只有當(dāng)混凝土內(nèi)部變形不一致或者變形受到外部約束時才產(chǎn)生應(yīng)力[1-2],當(dāng)應(yīng)力超過混凝土的抗拉或抗壓強(qiáng)度時,混凝土的完整性遭到破壞,產(chǎn)生裂縫[3].引起混凝土早期開裂的因素是多方面的[4-6],結(jié)構(gòu)的約束作用是其中一個不可忽視的因素[7],而不同混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部約束作用存在著差異,受到外部約束的方式也各不相同[6],這使得在不同約束條件下的混凝土結(jié)構(gòu)的受力特點和開裂過程也很不一樣[8].

目前,國內(nèi)外對于混凝土開裂問題的研究多限于僅受底部約束下的混凝土結(jié)構(gòu)[9-12],而對于底部加側(cè)向約束的混凝土結(jié)構(gòu)的開裂機(jī)理及防裂研究涉及較少.為此,本文首先對此類結(jié)構(gòu)的裂縫的成因和防裂方法進(jìn)行分析,然后依托某實際工程,利用反演辨識獲得的熱學(xué)參數(shù),對受底部和側(cè)向雙重約束下的廠房肘管段混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真預(yù)測分析.并提出了相應(yīng)的防裂方法.

1 水管冷卻混凝土非穩(wěn)定溫度場應(yīng)力場計算方法

1.1 水管冷卻非穩(wěn)定溫度場計算方法

混凝土結(jié)構(gòu)中,不穩(wěn)定溫度場T(x,y,z,t)在直角坐標(biāo)系中滿足熱傳導(dǎo)控制方程[1]

式中,T為溫度(℃);a為導(dǎo)溫系數(shù)(m2/h);θ為混凝土絕熱溫升(℃);t為時間(d);τ為齡期(d).

根椐式(1)和熱量平衡條件,可得水管沿程水溫的增量[13-14]

式中,qw、cw和ρw分別為冷卻水的流量、比熱容和密度;λ為導(dǎo)熱系數(shù);n為混凝土與水管之間混凝土面的外法線.利用式(2)和入口水溫,可以逐段推求水管的沿程水溫.水管邊界法向溫度梯度?T/?n是不確定的,因此帶冷卻水管的混凝土溫度場是一個邊界非線性問題,須采用數(shù)值迭代解法逐步逼近真解.

1.2 混凝土應(yīng)力場計算方法

根據(jù)彈性徐變理論,復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變增量可表示如下[1]

在約束狀態(tài)下,混凝土實際變形量為自由變形量和約束變形量之和[8],自由應(yīng)變不產(chǎn)生應(yīng)力,約束應(yīng)變才產(chǎn)生應(yīng)力,因此,混凝土的約束應(yīng)力可以表示為約束應(yīng)變與即時彈性模量之積,即[3]

2 水電站廠房混凝土結(jié)構(gòu)開裂機(jī)理及防裂方法

2.1 開裂機(jī)理

水電站廠房結(jié)構(gòu)與普通的壩體在約束上有較大的不同,其結(jié)構(gòu)不僅受底部約束的作用,同時受到已建或在建的附屬結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束,因而,考慮側(cè)向約束后的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力對溫度的改變更為敏感.

在澆筑初期,混凝土的溫升階段,不同部位混凝土的標(biāo)號及齡期差異將導(dǎo)致各部位混凝土水化反應(yīng)放熱量的不同,同時由于各個部位的散熱能力差異的影響,這兩種因素將導(dǎo)致混凝土內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度,引起溫度變形的空間差異,另外還應(yīng)考慮混凝土自身體積變形及干濕變形差異.這些差異會導(dǎo)致在溫度和濕度相對較低的部位(一般為表層混凝土)形成拉應(yīng)力,而在其較高位置,將形成壓應(yīng)力,但是這并不是結(jié)構(gòu)的最終應(yīng)力狀態(tài).

由于相對收縮還受到側(cè)向約束,自由收縮量減少,約束收縮量增加,拉應(yīng)力進(jìn)一步增大,這說明溫升階段,考慮側(cè)向約束下混凝土結(jié)構(gòu)的表層拉應(yīng)力比僅受底部約束時更大,如果開裂,一般為深層裂縫.經(jīng)過一段水化放熱升溫期,混凝土內(nèi)的溫度開始降低,表里溫差逐漸減小,內(nèi)部約束作用減弱,外部約束對結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力狀態(tài)的影響開始起主導(dǎo)作用.溫降收縮和自生體積收縮受到底部和側(cè)向老混凝土的抑制,形成拉應(yīng)力.與僅受底部約束不同,此類結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力不再是從底緣向上逐漸減小,而是整個斷面(如中截面)往往處于高拉應(yīng)力狀態(tài).如果開裂,則裂縫將是貫穿整個斷面的.另外,在此類結(jié)構(gòu)約束側(cè)的一定深度處還易發(fā)生“棗核型”裂縫.

2.2 防裂方法

在混凝土施工期,主要的溫控手段是采取表面保溫和內(nèi)部可控通水冷卻等措施,這些已經(jīng)在許多工程得到了很好的應(yīng)用,此處不再贅述.由于本文所考慮的結(jié)構(gòu)受到外部約束作用較強(qiáng),僅采用以上兩種措施往往不能達(dá)到預(yù)期的防裂效果,還需輔以其他措施,以便進(jìn)一步提高混凝土的抗裂安全性.一是降低澆筑溫度,采用低溫澆筑混凝土可以降低混凝土的最高溫度,從而減小基礎(chǔ)溫差,同時還有利于混凝土澆筑均勻密實,提高混凝土的抗裂性能.二是采用跳倉澆筑技術(shù),跳倉澆筑不僅能減小澆筑體積,減小體表比,提高澆筑塊散熱能力、減小基礎(chǔ)溫差,還有利于減小約束強(qiáng)度、減小混凝土的外部約束應(yīng)力,降低混凝土的抗裂壓力.

3 工程應(yīng)用

3.1 工程簡介及現(xiàn)狀

某廠房肘管段混凝土采用C25混凝土(配合比見表1),絕熱溫升較高,結(jié)構(gòu)底部除受底部老混凝土的強(qiáng)約束外,兩側(cè)還受上、下游老混凝土的強(qiáng)約束作用,如圖1所示,防裂難度很大.從目前已施工的情況來看,該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了多條裂縫,其中大部分是危害性很大的貫穿性結(jié)構(gòu)裂縫,如圖2所示.

表1 廠房肘管段混凝土配合比(kg/m3)

3.2 計算條件與模型

選取廠房2號機(jī)肘管段高程166.7m以下混凝土作為研究對象,由于在該結(jié)構(gòu)混凝土施工前,底板、上游側(cè)和下游側(cè)混凝土已經(jīng)施工完畢,因此仿真計算時,將這部分混凝土作為老混凝土,并假定老混凝土初始溫度為當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?8.1℃.為提高計算速度和不影響計算結(jié)果精度,計算域選取時,上、下游方向長度各取20.0m,底板深度取18.5m(含地基部分).計算邊界條件:溫度場分縫面和對稱面取為絕熱邊界,其余面定義為散熱面.應(yīng)力場對稱面為約束邊界,其余均為自由邊界.

按照施工計劃,高程158.0～166.7m分5層澆筑(如圖1所示),層間歇7 d,因此,為了模擬分層澆筑過程,網(wǎng)格剖分時采用空間六面體和五面體等參單元,計算模型的單元和結(jié)點總數(shù)分別為 49 742和54771個.帶冷卻水管的計算網(wǎng)格如圖3所示.典型水管水平布置如圖4所示,特征點高程向及水平布置如圖5～6所示.

3.3 仿真計算與分析

3.3.1 計算工況

混凝土的水化放熱與表面散熱過程等參數(shù)極其復(fù)雜,且隨溫度升高而變化[15],而混凝土熱學(xué)特性參數(shù)的可靠度直接關(guān)系到仿真計算結(jié)果的精度[16].因此,本文首先運用改進(jìn)加速遺傳算法,根據(jù)實測溫度值,反演辨識出可靠的混凝土及相關(guān)材料的熱學(xué)參數(shù),然后利用這些參數(shù)對多種機(jī)電廠房方案進(jìn)行了仿真計算.選取有代表性的3種工況(J1～J3)進(jìn)行表述分析:(J1)無任何防裂措施;(J2)采取塑料水管冷卻和表面保溫相結(jié)合的溫控措施;(J3)采用鐵質(zhì)水管冷卻以及表面保溫措施,輔以跳倉澆筑技術(shù).仿真計算結(jié)果見圖7～14,由于篇幅限制,以第一分層混凝土的特征點5和特征點6為主要分析對象.

3.3.2 計算結(jié)果分析

由圖7～8可知,由于采用塑料管通水,“削峰”效果不夠理想,以特征點 5為例,通水后最高溫度31.00℃(澆筑后 1d),與工況 J1的 33.94℃相比,降幅2.94℃,“削峰”力度不夠;而通水持續(xù)時間較長又導(dǎo)致降溫幅度過大(冷卻過度),如特征點5在通水結(jié)束時(澆筑后16d)溫度 16.19℃,降溫14.81℃.由圖9～圖10可知,由于降溫幅度過大,兩特征點拉應(yīng)力均超過了允許抗拉強(qiáng)度,以特征點6為例,上層混凝土澆筑前,6點為倉面點,由于內(nèi)部冷卻,內(nèi)外溫差減小,因此上層混凝土澆筑前,6點應(yīng)力有所減小,最大拉應(yīng)力1.91 MPa(澆筑后7 d),比工況J1的2.29 MPa小了0.38MPa,不過仍超過允許抗拉強(qiáng)度,而當(dāng)上層混凝土澆筑后,溫度反彈,受上、下層水管冷卻的作用,溫度下降幅度較大(圖8),因此拉應(yīng)力增幅很大,最大達(dá)3.00MPa(第一層澆筑后18 d),超過即時抗拉強(qiáng)度2.67MPa,開裂風(fēng)險極高.可見,工況 J2的水管冷卻方式削峰效果較差,冷卻時間過長,需要改進(jìn).

該部位受上下游老混凝土約束大,因此拉應(yīng)力也很大,接近抗拉強(qiáng)度.為了減小混凝土拉應(yīng)力,采用跳倉澆筑,增大了混凝土的散熱面積.另外為了提高“削峰”力度,采取鐵管冷卻,由圖 11和圖 12可知,“削峰”效果較好,特征點5的溫度峰值為28.65℃(澆筑后0.5d),比表面不保溫和不通水時低了5.29℃,“削峰”效果明顯;而表面保溫后,如圖12可知,由于內(nèi)部通有冷卻水,通水期間倉面溫度變化規(guī)律仍接近不保溫的時候,但溫度波動幅度減小,倉面點6在上層混凝土澆筑后,溫度反彈很小,從澆筑7 d的17.21℃,反彈至7.5 d的 22.30℃,升幅僅 5.09℃,比工況 J1(升幅12.13℃)有明顯減小,這對減小6點后期的拉應(yīng)力是非常有利的.這可以從5點和6點的拉應(yīng)力變化曲線中看出,如圖13和圖14,5點晚齡期最大拉應(yīng)力1.12MPa,未超過混凝土的允許抗拉強(qiáng)度,6點早齡期的最大拉應(yīng)力為1.60 MPa,也未超過混凝土當(dāng)時的允許抗拉強(qiáng)度,兩特征點的拉應(yīng)力均未超過規(guī)定的允許抗拉強(qiáng)度,可見表面保溫和水管冷卻的溫控效果達(dá)到防裂要求.

根據(jù)對計算結(jié)果的分析,如不采取任何溫控措施,這種強(qiáng)約束區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險較高,而采取內(nèi)部通水冷卻和表面保溫的溫控措施之后,若冷卻水管導(dǎo)熱性能較低,抗裂安全度將有一定提高但仍然不會滿足設(shè)計要求,依然存在開裂風(fēng)險(工況J1～工況J2).但是若增強(qiáng)水管管材的導(dǎo)熱性能并輔以跳倉澆筑方法,則能有效改善混凝土的應(yīng)力狀態(tài),保證混凝土在整個施工期不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫(工況J1～工況J3).

4 結(jié) 語

對于底部、側(cè)向約束作用下的大型水電站廠房,混凝土結(jié)構(gòu)極易開裂,而且裂縫通常都是危害性很大的貫穿性裂縫,并且裂縫往往不止一條.此類結(jié)構(gòu)對混凝土的溫差和溫變非常敏感,較小的改變都有可能引起較大的約束應(yīng)力,因此溫控防裂難度很大.

針對此類結(jié)構(gòu)的特點,采取了相應(yīng)溫控措施以及跳倉澆筑的方法,能夠有效預(yù)防裂縫的產(chǎn)生.同時,水管冷卻和表面保溫結(jié)合的溫控措施毋庸置疑仍是經(jīng)濟(jì)、有效的方法,對類似的工程具有一定的指導(dǎo)意義.

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