循環(huán)凍融環(huán)境條件下河道堤防混凝土應(yīng)力分布特征計(jì)算研究

劉 建，陳 鑫

(遼寧天陽(yáng)工程技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110001)

在北方地區(qū)，冬季氣溫較低，而循環(huán)凍融條件下混凝土的應(yīng)力受力影響不同，而對(duì)循環(huán)凍融條件的混凝土的應(yīng)力變化進(jìn)行分布特征的分析，有助于河道堤防的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)許多水利工程學(xué)者對(duì)循環(huán)凍融環(huán)境下的混凝土進(jìn)行了應(yīng)力分析的研究[1- 6]，但這些研究大都采用物理模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行循環(huán)凍融環(huán)境下的混凝土應(yīng)力分析，而采用理論計(jì)算模型的進(jìn)行原型觀測(cè)試驗(yàn)的研究較少。近些年來(lái)，理論計(jì)算模型逐步在許多凍融環(huán)境條件下的鋼筋應(yīng)力分析中得到驗(yàn)證和應(yīng)用[7- 9]，但是在河道堤防應(yīng)用還較少，特別是在遼寧地區(qū)，還未進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，為此本文以遼寧中部某河道堤防為研究工程實(shí)例，結(jié)合理論計(jì)算模型分析循環(huán)凍融環(huán)境條件下河道堤防混凝土的應(yīng)力分布特征。研究成果對(duì)于北方河道堤防混凝土在循環(huán)凍融環(huán)境下的應(yīng)力變化特征計(jì)算提供方法參考。

1 理論計(jì)算模型原理

循環(huán)凍融環(huán)境條件下，河道堤防混凝土所受到應(yīng)力分別為徑向方向和切向方向上的應(yīng)力，計(jì)算方程分別為：

(1)

(2)

式中，pj—循環(huán)凍融環(huán)境下的混凝土橫向擠壓力，kN；Aj—擠壓面積區(qū)域，m2；Ac—混凝土咬合處擠壓受力面積，m2；γ—循環(huán)凍融環(huán)境下與混凝土斜縫位置的轉(zhuǎn)角，(°)。

其中混凝土咬合處擠壓受力面積計(jì)算方程為：

AC=π(d′+6h)lsinβ

(3)

式中，d′—混凝土基礎(chǔ)柱體的直徑，m；l—混凝土橫向之間的距離，m；β—斜列頂縫的夾角，(°)。

理論計(jì)算模型對(duì)循環(huán)凍融環(huán)境條件下的混凝土橫向擠壓力計(jì)算pt進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

(4)

式中，pt—混凝土橫向推力，kN；a—轉(zhuǎn)角參數(shù)。

模型采用以下方程對(duì)轉(zhuǎn)角和斜列頂縫的夾角進(jìn)行確定，確定方程為：

(5)

(6)

式中，fcu—混凝土的抗壓強(qiáng)度，kN；fcu′—凍融作用后的混凝土剛混強(qiáng)度，kN)；φ—混凝土剛面的夾角，(°)。

循環(huán)凍融環(huán)境條件下河道堤防強(qiáng)度破壞的計(jì)算準(zhǔn)則為：

(7)

式中，fc—軸心強(qiáng)度折減參數(shù)；k1～k4—計(jì)算參數(shù)；J2—應(yīng)力。

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況及參數(shù)設(shè)置

本文以遼寧中部某設(shè)計(jì)河道堤防為工程實(shí)例，對(duì)其冬季循環(huán)凍融條件下混凝土應(yīng)力分布進(jìn)行特征分析，該河道堤防主體為混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)，其土類的主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。本文結(jié)合河道堤防混凝土特征參數(shù)，對(duì)循環(huán)凍融環(huán)境條件下的河道堤防混凝土的應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析。

表1 河道設(shè)計(jì)堤防混凝土類主要參數(shù)

2.2 凍融條件下的河道堤防鋼筋應(yīng)力精度分析

為對(duì)理論計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)合原位觀測(cè)試驗(yàn)，分析不同凍融次數(shù)下各直徑下的河道堤防混凝土應(yīng)力計(jì)算精度，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 循環(huán)凍融條件下河道堤防混凝土應(yīng)力精度分析結(jié)果

圖1 循環(huán)凍融環(huán)境下不同直徑應(yīng)力精度相關(guān)分析

從表2中可以看出，隨著直徑D和凍融次數(shù)的增加，設(shè)計(jì)河道堤防混凝土的應(yīng)力值逐步增加，其增加幅度較大。這主要是因?yàn)楫?dāng)混凝土受力面直徑增大，其應(yīng)力有所增加。而當(dāng)循環(huán)凍融次數(shù)從20～30次后，各直徑D下的混凝土應(yīng)力趨于穩(wěn)定，這主要是因?yàn)殡S著凍融次數(shù)的增加，設(shè)計(jì)河道堤防摩擦應(yīng)力逐步減小，使得其受力面的應(yīng)力逐步趨于穩(wěn)定。從圖1中可以看出，在D=20cm下，試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力相關(guān)系數(shù)為0.6543，而當(dāng)D=40cm下，試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力相關(guān)系數(shù)為0.6728，其相關(guān)性呈現(xiàn)指數(shù)相關(guān)，且隨著D的增加，其相關(guān)性增加，理論計(jì)算模型精度越高。

2.3 不同凍融次數(shù)下的河道堤防混凝土應(yīng)力分布特征試驗(yàn)分析

在理論計(jì)算模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)不同凍融次數(shù)下河道堤防混凝土的應(yīng)力分布特征進(jìn)行了試驗(yàn)分析，試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表3和圖2。

從表3中可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，各深度下的應(yīng)力逐步增加，且逐步從由加載端(10cm)向自由端變動(dòng)(20cm)變動(dòng)，且當(dāng)凍融次數(shù)從20～30次后，其各深度下的應(yīng)力分布區(qū)域穩(wěn)定?？梢?jiàn)凍融次數(shù)在20～30次后，設(shè)計(jì)河道堤防的混凝土的應(yīng)力逐步增加，當(dāng)達(dá)到一定程度后，達(dá)到最大的抗剪應(yīng)力強(qiáng)度，河道堤防混凝土的應(yīng)力逐步區(qū)域穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。從圖2中可以看出，隨著循環(huán)凍融次數(shù)的增加，其混凝土不同類型土地應(yīng)力分布呈較為復(fù)雜的S形分布，這主要是因?yàn)殡S著循環(huán)凍融次數(shù)的增加，設(shè)計(jì)河道堤防的粘聚力也逐步減少，而隨著循環(huán)凍融次數(shù)的逐漸增加，當(dāng)增加到20～30次后，設(shè)計(jì)河道堤防混凝土的含水量也逐步減少，使得黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸下降至穩(wěn)定的狀態(tài)，為此從圖2中可以看出，當(dāng)循環(huán)凍融次數(shù)增加后，其黏聚力和內(nèi)摩擦角都逐步區(qū)域平衡狀態(tài)，有利于河道堤防的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性。

表3 不同凍融次數(shù)下的河道堤防混凝土應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同循環(huán)凍融次數(shù)下河道堤防混凝土應(yīng)力分布試驗(yàn)分析結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合理論計(jì)算模型對(duì)遼寧中部某設(shè)計(jì)河道堤防混凝土的應(yīng)力分布特征進(jìn)行計(jì)算試驗(yàn)分析，分析取得以下結(jié)論：

(1)理論計(jì)算模型可用來(lái)分析北方地區(qū)循環(huán)凍融環(huán)境條件下的河道應(yīng)力分布情況，隨著凍融試驗(yàn)次數(shù)增加，其計(jì)算精度逐步提高。

(2)通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著凍融次數(shù)增加，河道堤防混凝土應(yīng)力趨于穩(wěn)定，可通過(guò)分析計(jì)算確定設(shè)計(jì)河道堤防凍融上限和范圍，從而提高設(shè)計(jì)河道堤防的穩(wěn)定性。

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