某水庫(kù)閘墩分層澆筑時(shí)的溫度應(yīng)力及施工方案選擇

楊 永

(新疆永嘉工程咨詢有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

某水庫(kù)閘墩分層澆筑時(shí)的溫度應(yīng)力及施工方案選擇

楊 永

(新疆永嘉工程咨詢有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

為了解混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中的溫度應(yīng)力變化以及如何優(yōu)化施工方案避免裂縫產(chǎn)生，采用ANSYS軟件對(duì)閘墩分層澆筑時(shí)的溫度應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：優(yōu)化后的施工方案在各層澆筑后的側(cè)面和上表面的最大溫度應(yīng)力均小于原施工方案，且優(yōu)化方案的施工工期較短。選擇優(yōu)化方案為工程的施工方案。

閘墩；分層澆筑；溫度應(yīng)力

隨著水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)建成了很多薄壁結(jié)構(gòu)的水工建筑物，如渡槽、閘墩、閘底板等，它們均具有兩維尺寸比另一維尺寸大的多的特點(diǎn)。由于混凝土水化熱、濕度等的影響，加之此類結(jié)構(gòu)施工較復(fù)雜，造成建筑物在施工期及運(yùn)行期出現(xiàn)裂縫等問題[1-3]，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的整體性和工程效益的發(fā)揮，還帶來(lái)一定的潛在隱患?；炷亮芽p的防治是關(guān)系到工程是否安全和效益能否發(fā)揮的重要制約因素。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外學(xué)者的大量研究，混凝土裂縫大多是由于溫度差異而導(dǎo)致的，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是薄壁水工結(jié)構(gòu)施工過程中混凝土溫度應(yīng)力如何變化是一個(gè)難點(diǎn)[4-5]。如何了解混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中的溫度應(yīng)力變化以及如何優(yōu)化施工方案避免裂縫產(chǎn)生是工程建設(shè)必須要解決的問題。本文以某水庫(kù)溢洪道泄洪閘改造工程為例，采用ANSYS軟件對(duì)閘墩分層澆筑時(shí)的溫度應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果，選擇了最佳的施工方案，為今后類似的水庫(kù)泄洪閘、渡槽等工程提供借鑒。

1 分層澆筑混凝土溫度場(chǎng)計(jì)算理論

根據(jù)能量守恒原理和熱傳導(dǎo)定律，分層或跳倉(cāng)澆筑的大體積混凝土的熱傳導(dǎo)方程的最終形式為：

(1)

式中：c為混凝土的比熱；λ為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為混凝土密度；T為時(shí)間；τ為混凝土的齡期；θi為絕熱溫升。

公式(1)不能直接得到定解，為了定量的求出結(jié)果，需要給式(1)的方程設(shè)定初始條件及邊界條件，混凝土的初始條件是指混凝土澆筑時(shí)的澆筑溫度，一般認(rèn)為是常數(shù)，T(x,y,z,0)=T0=澆筑溫度。

在熱力學(xué)分析中共有四類邊界條件，根據(jù)實(shí)際工程中閘墩澆筑時(shí)與空氣接觸，且外界氣溫是變化的情況，本次模擬選擇第三類邊界條件。第三類邊界條件是指流過混凝土表面的熱流量和空氣與混凝土的溫差成正比，按下式計(jì)算：

(2)

式中：Ti,t為t時(shí)刻第i層混凝土的澆筑溫度，Tf為環(huán)境溫度；n為混凝土外表面的外法線方向；β為表面放熱系數(shù)。

先后澆筑的混凝土間的接觸面邊界為第四類邊界條件，按下式計(jì)算：

(3)

式中：Ti+1,t+Δti為t+Δti時(shí)刻第i+1層混凝土的澆筑溫度，其他參數(shù)同上式。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

某水庫(kù)泄洪閘改造工程共有6座閘墩，采用分層澆筑，閘墩長(zhǎng)23 m、寬2.5 m、高18 m，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。以4JHJ墩為例，第一層澆筑高度7.5 m，澆筑時(shí)間3月10日，澆筑溫度17 ℃；第二層澆筑高度4.0 m，澆筑時(shí)間3月23日，澆筑溫度8 ℃；第三層澆筑高度6.5 m，澆筑時(shí)間4月20日，澆筑溫度21 ℃。采用ANSYS軟件進(jìn)行模擬分析時(shí)，需考慮基巖對(duì)閘墩溫度的影響，本次閘墩下基巖在下方和前后左右方向各取2倍的閘墩寬度。基巖四周邊界設(shè)定為絕熱邊界，混凝土外表面設(shè)定為第三類邊界條件。模擬時(shí)采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，熱分析采用SOLID70單元，應(yīng)力分析時(shí)采用SOLID45單元。

2.2 計(jì)算參數(shù)

C25混凝土的絕熱溫升按下式計(jì)算：

θ(τ)=36.8×(1-e-0.351τ)

(4)

式中：τ為齡期。

閘墩C25混凝土配合比及各材料的熱力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 混凝土配合比及各材料參數(shù)

根據(jù)表1中各材料的導(dǎo)熱參數(shù)、密度、比熱經(jīng)加權(quán)平均得到混凝土的相應(yīng)參數(shù)如下：混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為275.6 kJ/(m·d·℃)，密度為2411.7 kg/m3，比熱為0.91 kJ/(kg·℃)，根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，混凝土的放熱系數(shù)為1513 kJ/(m2·d·℃)。基巖的導(dǎo)熱系數(shù)為296.4 kJ/(m·d·℃)，密度為2600 kg/m3，比熱為0.92 kJ/(kg·℃)，放熱系數(shù)1513 kJ/(m2·d·℃)。

根據(jù)地質(zhì)資料，基巖的彈性模量為1 GPa?；炷恋膹椥阅Ａ堪聪率接?jì)算：

(5)

式中：τ為齡期；E0為90 d齡期的混凝土的彈性模量，取值為2.78×104MPa；E(τ)為齡期τ時(shí)的混凝土彈性模量，A=0.4，b=0.34。

混凝土28 d齡期的抗拉強(qiáng)度按下式計(jì)算：

Rt(τ)=0.232{3.52×1011[1+0.1727ln(τ/28)]}2/3

(6)

式中：τ為齡期。

3 不同施工方案的計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 原施工方案

根據(jù)原施工方案，閘墩分三層共三期澆筑，第一層與第二層澆筑時(shí)間間隔13 d，第二層與第三層澆筑時(shí)間間隔28 d，澆筑時(shí)間在3、4月，溫度比較穩(wěn)定，環(huán)境溫度采用實(shí)際溫度，由于閘墩順?biāo)飨虺叽邕h(yuǎn)大于閘墩的橫向尺寸，易產(chǎn)生順?biāo)鞣较虻睦瓚?yīng)力，引起混凝土開裂，應(yīng)重點(diǎn)模擬順?biāo)鞣较虻膽?yīng)力變化。各層混凝土按原施工方案澆筑時(shí)閘墩側(cè)面的溫度應(yīng)力變化如圖1所示。

圖1 原澆筑方案閘墩側(cè)面的溫度應(yīng)力

由圖1可知：在澆筑第二層混凝土后的第13天(即第一層澆筑后的第26天)時(shí)，一層和二層混凝土的溫度應(yīng)力均達(dá)到了最大值，一層的溫度應(yīng)力為2.23 MPa，二層的溫度應(yīng)力為2.50 MPa，原因是澆筑二層混凝土?xí)r，一層與兩層接觸面中心點(diǎn)溫度達(dá)到23 ℃，一層內(nèi)部中心點(diǎn)溫度更高達(dá)30 ℃，兩者均大于二層混凝土的澆筑溫度8 ℃，產(chǎn)生了比較大的溫差和應(yīng)力。澆筑第三層混凝土后的第10天(即第一層澆筑后的第51天)時(shí)，第三層的溫度應(yīng)力達(dá)到了最大值，為2.45 MPa，原因是在澆筑三層混凝土前，時(shí)間間隔了28 d，保證了前兩層混凝土能充分的散熱，但前面澆筑的混凝土對(duì)第三層混凝土的變形產(chǎn)生了限制作用，使得第三層混凝土內(nèi)部仍然存在較大的溫度應(yīng)力。

3.2 優(yōu)化后的施工方案

根據(jù)單獨(dú)澆筑不同層混凝土?xí)r溫度應(yīng)力變化曲線(圖2)，經(jīng)分析得出：后期混凝土的澆筑，可使前期混凝土外表面產(chǎn)生的溫差引起的拉應(yīng)力減小，因此可以選擇在前期混凝土出現(xiàn)最大拉應(yīng)力時(shí)澆筑下期混凝土，同時(shí)為減小不同時(shí)間澆筑混凝土間的溫差，選取前期混凝土內(nèi)部中心點(diǎn)的溫度作為下期混凝土的澆筑溫度。第二層的澆筑時(shí)間為第一層澆筑后的第13天，澆筑溫度為30 ℃，第三層的澆筑時(shí)間為第一層澆筑后的第25天，澆筑溫度為32 ℃。單獨(dú)澆筑混凝土?xí)r溫度應(yīng)力變化曲線見圖2。

圖2 單獨(dú)澆筑混凝土?xí)r側(cè)面溫度應(yīng)力變化曲線

根據(jù)優(yōu)化后的施工方案，進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了澆筑二層混凝土后一層混凝土的側(cè)面溫度應(yīng)力的變化曲線和澆筑三層混凝土后二層混凝土的側(cè)面、上表面溫度應(yīng)力以及三層混凝土側(cè)面、上表面的溫度應(yīng)力，如圖3所示。

圖3 混凝土溫度應(yīng)力變化曲線

由圖3可以看出：在第一層混凝土澆筑后的第13天澆筑第二層混凝土?xí)r，閘墩第一層混凝土的側(cè)面溫度應(yīng)力由澆筑前的1.82 MPa降到了1.24 MPa，隨后隨著水化熱的產(chǎn)生，在第17天達(dá)到峰值1.87 MPa，仍小于同期混凝土抗拉強(qiáng)度2.18 MPa(該值由抗拉試驗(yàn)得到)；在第一層混凝土澆筑后的第25天澆筑第三層混凝土?xí)r，閘墩第二層混凝土的側(cè)面溫度應(yīng)力由澆筑前的1.87 MPa降到了1.19 MPa，后期隨著水化熱的產(chǎn)生，側(cè)面和表面溫度應(yīng)力有所增加，也仍小于同期混凝土抗拉強(qiáng)度2.18 MPa；三層混凝土側(cè)面溫度應(yīng)力在第35天達(dá)到峰值，為1.91 MPa，也仍小于同期混凝土抗拉強(qiáng)度2.18 MPa，滿足結(jié)構(gòu)要求。

4 結(jié) 論

通過對(duì)原施工方案和優(yōu)化施工方案采用ANSYS軟件熱力學(xué)單元進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明：優(yōu)化后的施工方案在各層澆筑后的側(cè)面和上表面的最大溫度應(yīng)力均小于原施工方案，且優(yōu)化方案的施工工期較短，澆筑總間隔為24 d，第50天時(shí)閘墩溫度應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定，而原施工方案工期較長(zhǎng)，總間隔為42 d，且在第60天時(shí)閘墩溫度應(yīng)力才能穩(wěn)定，綜上所述，選擇優(yōu)化方案為本工程的施工方案。

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Temperature stress and selection of construction scheme for pier pouring in layers of a reservoir

YANG Yong

(XinjiangYongjiaEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Urumqi830000,China)

In order to understand the temperature stress change of the concrete structure in the construction process and how to optimize the construction scheme to avoid cracks, the numerical simulation and analysis was carried for the temperature stress of pier pouring in layers using the ANSYS software. The results show that the maximum temperature stress on the side and upper surface of each pouring layer in the optimized construction scheme is less than that in the original construction scheme, and the optimization scheme has a shorter construction period. To sum up, the selection of the construction scheme is optimized scheme.

pier; pouring in layers; temperature stress

楊 永(1970-)，女，四川宜賓人，工程師，從事水利工程施工管理工作。E-mail:3155717674@qq.com。

TV662.2

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