水工閘壩混凝土在凍融條件下應(yīng)力分布探討

郝姣姣

(阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，遼寧 阜新 123000)

0 前 言

水工閘壩混凝土的應(yīng)力計算是其穩(wěn)定性設(shè)計的重要指標(biāo)，尤其是北方地區(qū)，凍融條件下水工閘壩混凝土應(yīng)力影響的關(guān)鍵要素，需要對其應(yīng)力影響進行分析和探討，從而提高其運行穩(wěn)定和安全性[1]。近些年來，對于水工閘壩混凝土應(yīng)力設(shè)計研究的成果較多[2-10]，但是對于其凍融影響的研究還較少，為提高水工閘壩在北方地區(qū)的運行穩(wěn)定性，亟需對其凍融條件下的應(yīng)力進行分析。為此結(jié)合應(yīng)力理論計算模型，對其凍融條件下的水工閘壩應(yīng)力分布進行探討，研究成果對于北方水工閘壩混凝土穩(wěn)定施工設(shè)計具有參考意義。

1 應(yīng)力分布計算模型

水工閘壩在凍融循環(huán)條件下其水平和縱向應(yīng)力分布的計算方程分別為：

(1)

(2)

式中：Pj為水平應(yīng)力，kN；Aj為應(yīng)力面積，m2；Ac為應(yīng)力擠壓面積，m2；γ為混凝土凍融條件下的斜向轉(zhuǎn)角，°。水工混凝土應(yīng)力擠壓面積計算方程為：

AC=π(d'+6h)lsinβ

(3)

式中：d'為混凝土樁體寬度，m；l為樁體橫向間距，m；β為頂縫斜向角度，°。對水工閘壩橫向應(yīng)力Pt進行計算：

(4)

式中：Pt為橫向應(yīng)力，kN)；α為轉(zhuǎn)角系數(shù)。模型對其轉(zhuǎn)角系數(shù)和頂縫斜向角度計算方程分別為：

(5)

(6)

式中：fcu為水工閘壩抗壓強度，kN)；fcu'為凍融影響下的抗壓強度，kN；φ為剛面轉(zhuǎn)角，°。 對水工閘壩穩(wěn)定性系數(shù)進行計算：

(7)

式中：fc為折減系數(shù)；k1-k4分別為計算系數(shù)；J2為計算橫向應(yīng)力，kN；I1縱向應(yīng)力，kN。

2 實例分析

2.1 工程概況

以遼河某閘壩工程為具體實例，對該水工閘壩混凝土凍融循環(huán)影響下的應(yīng)力分布進行計算，該水工閘壩為鋼混結(jié)構(gòu)，其地質(zhì)參數(shù)如表1所示。文章結(jié)合該水工混凝土閘壩的地質(zhì)參數(shù)，對其凍融影響下的應(yīng)力分布進行計算分析。

表1 水工閘壩工程地質(zhì)參數(shù)

2.2 應(yīng)力計算誤差分析

結(jié)合應(yīng)力計算模型，對水工閘壩不同鋼混直徑下凍融循環(huán)次數(shù)影響的應(yīng)力進行計算，計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同鋼混直徑下水工閘壩混凝土應(yīng)力計算結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，水工閘壩的鋼混直徑對其應(yīng)力影響較大，應(yīng)力隨著凍融次數(shù)的增加而遞增較為明顯。受到水工閘壩應(yīng)力面積的影響，不同直徑下混凝土應(yīng)力變化當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)介于16-25次時較為穩(wěn)定，這主要受到水工閘壩摩擦阻力加大的影響，使得其應(yīng)力變化有所減小。計算應(yīng)力和測定的應(yīng)力之間計算誤差總體低于20%，相關(guān)系數(shù)可達到0.65以上，具有較好的相關(guān)度，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其應(yīng)力總體呈現(xiàn)指數(shù)變化。

2.3 凍融影響下的水工閘壩應(yīng)力分布結(jié)果

對不同深度凍融循環(huán)次數(shù)影響下的水工閘壩應(yīng)力分布進行計算，計算結(jié)果如表3所示。

表3 凍融影響下的水工閘壩應(yīng)力分布計算結(jié)果

從凍融影響下的水工閘壩應(yīng)力分布計算結(jié)果可知，隨著深度的遞增各凍融次數(shù)下的應(yīng)力都有所增加，不同深度的應(yīng)力分布當(dāng)凍融次數(shù)達到25次以后逐步趨于穩(wěn)定變化，在初始階段，凍融次數(shù)增加其應(yīng)力分布變化較大，而當(dāng)凍融次數(shù)增加到一定次數(shù)后，水工閘壩的抗剪應(yīng)力強度達到最大值，使得其應(yīng)力變化減小，逐步趨于穩(wěn)定變化。水工閘壩混凝土應(yīng)力分布隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)S形變化，受凍融循環(huán)次數(shù)增加其閘壩體混凝土之間的黏聚力有所減少，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)高于25次以后，其混凝土含水率降低，摩擦阻力區(qū)域穩(wěn)定，利用水工閘壩的穩(wěn)定運行。

3 結(jié) 論

1)受到水工閘壩應(yīng)力面積的影響，不同直徑下混凝土應(yīng)力變化當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)介于16-25次時較為穩(wěn)定，這主要受到水工閘壩摩擦阻力加大的影響，使得其應(yīng)力變化有所減小。

2)計算應(yīng)力和測定的應(yīng)力之間計算誤差總體低于20%，相關(guān)系數(shù)可達到0.65以上，具有較好的相關(guān)度，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其應(yīng)力總體呈現(xiàn)指數(shù)變化。

3)水工閘壩混凝土應(yīng)力分布隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)S形變化，受凍融循環(huán)次數(shù)增加其閘壩體混凝土之間的黏聚力有所減少，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)高于25次以后，其混凝土含水率降低，摩擦阻力區(qū)域穩(wěn)定，利用水工閘壩的穩(wěn)定運行。