節(jié)制閘中墩混凝土應(yīng)力場對溫度變化的敏感性分析

汪倫焰, 秦朝瑩, 毛顥淳, 陳守開, 李慧敏

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.河南省水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)院士工作站,河南 鄭州 450002;3.河海大學(xué),江蘇 南京 210098)

節(jié)制閘中墩混凝土應(yīng)力場對溫度變化的敏感性分析

汪倫焰1,2, 秦朝瑩1,2, 毛顥淳1,3, 陳守開1,2, 李慧敏1,2

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.河南省水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)院士工作站,河南 鄭州 450002;3.河海大學(xué),江蘇 南京 210098)

針對節(jié)制閘混凝土結(jié)構(gòu)在施工期容易產(chǎn)生裂縫這一問題,將節(jié)制閘中墩混凝土作為研究對象,根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度、材料特性以及邊界條件的變化,對其施工期溫度應(yīng)力場進行了三維仿真模擬計算,分析了施工期由內(nèi)外溫度差引起的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的特征與規(guī)律。結(jié)果表明:施工期,由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差比較大,在熱脹冷縮的作用下,易出現(xiàn)拉應(yīng)力隨著溫差的增大而逐漸增大,從而引起節(jié)制閘中墩混凝土結(jié)構(gòu)開裂,破壞其耐久性,產(chǎn)生安全隱患,導(dǎo)致工程質(zhì)量問題。因此,為確保施工期混凝土的抗裂安全性,應(yīng)采取相應(yīng)的溫控防裂措施。

節(jié)制閘;中墩;溫度場;應(yīng)力場;敏感性分析;ANSYS

混凝土是最主要的建筑材料之一,在施工期間易出現(xiàn)開裂問題,影響結(jié)構(gòu)的美觀,嚴重的還會影響結(jié)構(gòu)的正常使用，產(chǎn)生工程質(zhì)量問題,甚至影響人們的人身安全和財產(chǎn)安全[1-3]。

針對混凝土的裂縫問題,國內(nèi)外已有眾多方面的研究。Enrique MIRAMBELL和Antonio AGUADO根據(jù)材料力學(xué)性質(zhì)和環(huán)境因素,對箱型梁大橋的溫度場、應(yīng)力場進行了預(yù)測[4];Mats EMBORG和Stig BEMANDER采用實驗方法研究了混凝土的早期熱應(yīng)力與熱裂縫[5]。國內(nèi)許多學(xué)者也對混凝土早期的熱學(xué)、力學(xué)性能進行了研究,并取得了初步成果[6-10]?；炷恋臏囟葓雠c應(yīng)力場,可以通過數(shù)值模擬,反映出混凝土的傳熱過程和應(yīng)力變化情況[11-18]。由溫度產(chǎn)生混凝土裂縫的問題,早期采用經(jīng)驗公式計算混凝土的中心最高溫度以及表面溫度,但不能反映出混凝土的內(nèi)部溫度變化情況及混凝土各處的溫度應(yīng)力分布情況。而利用有限元軟件ANSYS對混凝土結(jié)構(gòu)進行三維建模分析[19-22],可得出不同工況下溫度場和應(yīng)力場的變化情況,進而分析產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫的可能性。

本文以某節(jié)制閘(C25混凝土)工程為研究背景,基于穩(wěn)態(tài)熱分析理論,用ANSYS軟件模擬并詳細分析施工期節(jié)制閘中墩的混凝土應(yīng)力場對溫度變化的敏感性,確定在不同工況下中墩內(nèi)溫度對應(yīng)力的影響程度和特點,為工程實施提供理論參考依據(jù),做好防裂措施及優(yōu)化問題。

1 計算原理

1.1 溫度場計算原理

在節(jié)制閘的施工期,混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的水泥因水化熱的作用而放出大量的熱量,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差大,引起溫度場的急劇變化。根據(jù)熱傳導(dǎo)理論,假設(shè)結(jié)構(gòu)混凝土為均質(zhì)各向同性的,則熱傳導(dǎo)方程[23]可表征為:

(1)

式中:a為混凝土的導(dǎo)溫系數(shù),m2/h;T為混凝土的溫度,℃;τ為混凝土的齡期,d;θ為混凝土的絕熱溫升,℃；(x,y,z)為空間位置變量。

(2)

1.2 應(yīng)力場計算原理

混凝土結(jié)構(gòu)由于溫度變化導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)變形,從而產(chǎn)生約束應(yīng)力。假定混凝土材料為均質(zhì)的、連續(xù)的,可先求出結(jié)構(gòu)的溫度場,然后根據(jù)彈性理論求出混凝土結(jié)構(gòu)各部分的熱應(yīng)力。而混凝土的彈性模量是隨著齡期變化的，因此,采用增量法進行混凝土溫度應(yīng)力場的計算[24],公式如下:

(3)

式中:α為混凝土的線膨脹系數(shù),10-6/℃;E為混凝土的彈性模量,MPa;T為混凝土的溫度,℃;μ為泊松比;K為應(yīng)力松弛系數(shù)。

2 仿真模型的計算條件

2.1 工程概況

選取某節(jié)制閘,單孔凈寬10 m,閘孔總凈寬70 m,閘室長20 m,閘室底板高程61.84 m,厚2.0 m(齒墻厚3.0 m),閘頂高程71.90 m。共7孔,閘室共分5聯(lián),邊孔和中間孔各為一聯(lián),其他兩孔各為一聯(lián),相鄰兩聯(lián)之間設(shè)縫墩。中墩和縫墩厚均為2.3 m,總寬度為83.8 m;邊墩采用直墻結(jié)構(gòu),厚1.15 m。閘室采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗,混凝土熱學(xué)性能和力學(xué)性能的參數(shù)分別見表1和表2。地基材料參數(shù)見表3。

表1 混凝土的熱學(xué)性能參數(shù)

表2 混凝土的力學(xué)性能

表3 地基的材料參數(shù)

2.2 有限元建模

采用ANSYS軟件對節(jié)制閘進行有限元模擬仿真,并進行熱-應(yīng)力耦合分析，即熱單元和應(yīng)力單元的耦合分析。選取結(jié)構(gòu)單元(Solid45)和熱單元(Solid70),根據(jù)節(jié)制閘工程的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸參數(shù)建立三維仿真計算模型,如圖1所示,并將節(jié)制閘結(jié)構(gòu)斷面和地基進行網(wǎng)格劃分,共劃分單元數(shù)15 643個,節(jié)點16 523個。

圖1 節(jié)制閘三維仿真計算模型

該單元為三維八節(jié)點六面體單元。假定節(jié)制閘混凝土材料是均質(zhì)各向同性的;不考慮日照、風速等對混凝土表面放熱的影響,模型各個點的放熱率相同;地基的溫度恒定不變;其邊界條件為經(jīng)過混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度T與氣溫Ta之差成正比。

2.3 設(shè)定工況

本研究選定節(jié)制閘中墩混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定溫度為30 ℃,地基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定溫度為20 ℃,結(jié)合當?shù)氐臍鉁刭Y料,選取不同的邊界溫度,設(shè)定3種工況。對比工況:水化熱時混凝土結(jié)構(gòu)達40 ℃。具體工況設(shè)定見表4,所有工況下縫墩外側(cè)面均絕熱。

表4 工況設(shè)定 ℃

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 應(yīng)力場分析

由C25混凝土的強度等級可知,混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強度為25 MPa。一般情況下,混凝土的抗拉強度只有抗壓強度的1/10～1/20,即約為1.25～2.50 MPa。節(jié)制閘中墩在4種工況下的應(yīng)力分布如圖2所示,圖中正值表示拉應(yīng)力,負值表示壓應(yīng)力,單位為Pa。

圖2 節(jié)制閘中墩的應(yīng)力圖(單位:Pa)

由圖2可知,最大拉應(yīng)力都集中在中墩底面附近;而最大壓應(yīng)力集中在中墩頂部的兩端圓弧段附近;隨著溫度差越來越小,其壓應(yīng)力、拉應(yīng)力也越來越小;最大壓應(yīng)力遠小于混凝土的抗壓強度25 MPa,一般不會出現(xiàn)受壓破壞。前3種工況下,最大拉應(yīng)力小于C25混凝土的抗拉強度,即中墩在本研究假定的各種工況下不會因出現(xiàn)裂縫而破壞。而工況4中最大壓應(yīng)力為0.04 MPa,遠小于混凝土的抗壓強度。最大拉應(yīng)力為1.40 MPa,大于C25混凝土的抗拉強度,即中墩在工況4下不會發(fā)生受壓破壞,但會因出現(xiàn)裂縫而發(fā)生受拉破壞。

3.2 特征點的選取與應(yīng)力分析

設(shè)節(jié)制閘底板的上表面為Z=0.00 m處,本研究所取4個特征點位于中墩Z=5.03 m處的橫截面上,分別為中墩圓弧段最下面T1、圓弧中心T2、中墩截面中間T3以及圓弧段左側(cè)邊緣T4,具體位置如圖3所示。

在4種工況下,各特征點的應(yīng)力大小如圖4所示,正值表示拉應(yīng)力,負值表示壓應(yīng)力,單位為MPa。由圖4可知:當節(jié)制閘中墩混凝土結(jié)構(gòu)和地基的溫度不變,即對比工況1和工況3,中墩Z=5.03 m處的橫截面特征點處應(yīng)力值隨著外界溫度的增加而減小,即溫差越小應(yīng)力值越小;當外界和地基的溫度不變時,即對比工況2和工況4,中墩Z=5.03 m處的橫截面特征點處應(yīng)力值隨著外界溫度的增加而增大,即溫差越小應(yīng)力值越小。觀察各個工況可發(fā)現(xiàn)其共同點:特征點T1和T4處存在拉應(yīng)力,特征點T2和T3處存在壓應(yīng)力。由此可知,溫度的變化使得混凝土從內(nèi)部向外部是由產(chǎn)生壓應(yīng)力到產(chǎn)生拉應(yīng)力逐漸過渡的。

圖3 特征點選取圖

圖4 中墩Z=5.03 m處橫截面上各特征點的應(yīng)力折線圖

從各種工況知,內(nèi)外溫差較大,最大拉應(yīng)力均發(fā)生在表面,混凝土表面開裂風險較大,但只要應(yīng)力值小于允許抗拉強度,中墩則不會開裂。因此,施工期應(yīng)盡量避免夏季高溫和冬季低溫施工,以降低混凝土開裂的風險。若不可避免,需要采取一些溫控措施,例如:表面保溫、水管冷卻、調(diào)整混凝土配合比和澆筑厚度等,應(yīng)對實際情況具體分析,采用合理的方法解決。

4 結(jié)語

本文結(jié)合當?shù)貧鉁刭Y料、穩(wěn)態(tài)溫度場和應(yīng)力場計算理論,利用ANSYS軟件分析節(jié)制閘中墩混凝土應(yīng)力場對溫度變化的敏感性,得出如下結(jié)論:

1)壓應(yīng)力主要集中在節(jié)制閘中墩混凝土的上表面,且最大壓應(yīng)力遠小于混凝土的抗壓強度,不會出現(xiàn)受壓破壞,即混凝土結(jié)構(gòu)有較強的抗壓特性。

2)節(jié)制閘中墩混凝土的最大拉應(yīng)力集中在下表面,隨著混凝土內(nèi)外溫差的增大,拉應(yīng)力也逐漸增大。結(jié)構(gòu)在工況4下,最大拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度,會產(chǎn)生溫度裂縫。因此,節(jié)制閘中墩混凝土對內(nèi)外溫差的敏感性比較強。

3)內(nèi)部溫度是導(dǎo)致開裂的主要因素,一般是由絕熱溫升引起的,故施工期可以通過混凝土配合比降低混凝土水化熱的溫度，以減少裂縫的產(chǎn)生。在實際工程中，對于混凝土溫度,需要考慮的影響因素眾多,包括力學(xué)性能、外部復(fù)雜環(huán)境以及外摻材料等。

4)本文基于彈性力學(xué)理論計算應(yīng)力場問題,假定結(jié)構(gòu)屬于理想的彈性體。對于非理想狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，還需更深入地研究相關(guān)理論、結(jié)合長期實驗及工程經(jīng)驗進行研究。

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SensitivityAnalysisontheEffectofTemperatureontheStressFieldofMiddlePierConcreteofCheckGate

WANG Lunyan1,2, QIN Chaoying1,2, MAO Haochun1,3, CHEN Shoukai1,2, LI Huimin1,2

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China; 2.Water Environment Governance and Ecological Restoration Academician Workstation of Henan Province, Zhengzhou 450002,China; 3.Hohai University, Nanjing 210098, China)

Aiming at the problem that concrete would have cracked easily during construction, taking the middle pier concrete of check gate as the research object, simulating the temperature-stress field in construction period by the three-dimensional simulation model, according to variation characteristics of temperature, materials and boundary conditions, it demonstrated that how the temperature difference between internal and external concrete had made the stress field vary during construction. The result showed that due to the large temperature difference between internal and external concrete during construction and the effect of heat expansion and cold contraction, it was easy to make the tensile stress appear and increase which could result in cracks of the middle pier concrete of check gate structure. It also could destroy durability of projects, cause hidden danger and compromise the quality of construction. Therefore, the corresponding temperature control measures which can prevent cracks should have been taken during construction to ensure the safety.

check gate; middle pier; temperature field; stress field; sensitivity analysis; ANSYS

陳海濤)

TV315

A

1002-5634(2017)06-0049-05

2017-08-21

國家自然科學(xué)基金項目(51309101)。

汪倫焰(1968—),男,安徽六安人,教授,博士,從事水利工程建設(shè)與管理方面的研究。E-mail:5shelly@sina.com。

秦朝瑩(1991—),女,河南焦作人,碩士研究生,從事水利工程方面的研究。E-mail:294466282@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.007