大體積混凝土重力壩施工溫度控制措施研究

余 琳

（江西省水投建設(shè)集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330000）

1 引言

混凝土施工過程中產(chǎn)生過高的溫度將對混凝土施工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響,因此,在混凝土施工過程中需要采取適宜的措施控制混凝土內(nèi)部溫度,保證混凝土澆筑質(zhì)量。在混凝土澆筑過程中提前布置冷水管控制施工溫度是常用的方法。目前,有較多的專家對混凝土施工溫度控制方法進(jìn)行了較為詳盡的研究。根據(jù)前人研究可知,數(shù)值模擬分析方法在大體積混凝土施工溫度的研究中積累了豐富的成功經(jīng)驗(yàn),在施工過程中布置冷水管可有效控制混凝土施工溫度,但是不同的管線布置方式對溫度控制效果影響較大。

2 混凝土溫度計(jì)算原理

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)溫度場

在混凝土施工過程中,受到水泥水化熱有影響,混凝土內(nèi)部溫度是動(dòng)態(tài)變化的,在水泥水化放熱影響下,混凝土內(nèi)部溫度將隨之變化。為了分析簡便,可將混凝土內(nèi)部市委存在一處熱源,在熱源作用下混凝土溫度不斷發(fā)生變化?；炷羶?nèi)部應(yīng)力場可滿足下述條件：

式中：T、a、θ分別為混凝土溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、絕熱溫升；τ為時(shí)間。

采用冷水管降溫時(shí),熱傳導(dǎo)方程為：

式中：T0、0為混凝土初始溫度、最終絕熱溫升；Tw為冷水溫度；φ、Ψ為與冷卻效果有關(guān)的函數(shù)。

2.2 溫度應(yīng)力

溫度應(yīng)力主要是由于混凝土內(nèi)部的初始、最終溫度不同,兩者之間存在溫差,在溫差作用下會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)溫度應(yīng)力,當(dāng)超出一定程度時(shí)可導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫,影響混凝土施工質(zhì)量。

式中：Kp、R 分別為應(yīng)力松弛系數(shù)、約束系數(shù)；Ec、分別為混凝土彈性模量、泊松比； 為溫度線膨脹系數(shù)；k 為混凝土溫升折減系數(shù)；Tf、B 分別為水化熱溫升、溫度應(yīng)力系數(shù)；c為形變影響系數(shù)；ε0為初始應(yīng)變。

3 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)選取

3.1 模型建立

大壩為重力壩采用混凝土澆筑,屬于1 級建筑物。在研究階段,考慮采用冷水管控制混凝土壩施工過程中的溫度,根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)[1],冷水管置方案如下：2 m×2 m,2 m×1 m,1 m×1 m。冷水管進(jìn)水溫度為10℃。冷水管布置方式見圖1。

圖1 冷水管布置示意圖

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

ANSYS 是目前常用的溫度場耦合數(shù)值分析計(jì)算軟件,可以有效分析大體積混凝土澆筑過程中的內(nèi)部溫度變化情況[2-4]。使用ANSYS 導(dǎo)出混凝土內(nèi)部變化的熱分析結(jié)果,作為溫度應(yīng)力分析混凝土大壩施工過程中的溫度荷載,從而模擬壩體內(nèi)部的應(yīng)力情況,不同材料的數(shù)值計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)取值

3.3 混凝土徐變假定

采用ANSYS數(shù)值模擬分析時(shí),混凝土徐變的計(jì)算原理如下：

式中：c 為混凝土的徐變程度；t-τ為持荷時(shí)間；k、A、B、D、 為徐變擬合的參數(shù)。混凝土徐變各參數(shù)取值見表2。

表2 混凝土徐變各參數(shù)取值

4 混凝土施工溫度數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

4.1 溫度場變化特征

為分析冷水管布置方案對混凝土施工溫度的控制效果。在壩體內(nèi)部和表面布置監(jiān)測點(diǎn),獲取壩體內(nèi)部的溫度場和應(yīng)力場變化特性。其中,監(jiān)測點(diǎn)JC1 位于第三分層建筑的中心點(diǎn)位置,JC2 位于第三分院的表面。冷水管通水時(shí)間從第三層澆筑之日開始,通水時(shí)間終止時(shí)間為混凝土澆筑完成后10 d。通水結(jié)束后繼續(xù)對混凝土溫度變化進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測點(diǎn)的檢測側(cè)數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)JC1 溫度變化特征

由圖2 可知,采用不通水或者不同水管布置方案下混凝土內(nèi)部溫度均表現(xiàn)為先增后減的變化趨勢。通過對比通水、不通水條件下的溫度變化速率可知,采用冷水管降溫可以有效控制混凝土內(nèi)部問題,冷水管間距越小,內(nèi)部降溫越顯著。由于冷水管進(jìn)水口水溫較低,采用1 m×1 m 間距時(shí),混凝土內(nèi)部溫度將低于大氣環(huán)境溫度,此時(shí)將可能導(dǎo)致溫度應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度,將導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)拉張裂縫。混凝土表面監(jiān)測點(diǎn)JC2 的溫度變化趨勢同外界大氣環(huán)境溫度。

4.2 應(yīng)力場變化特征

應(yīng)力場分析時(shí)間為混凝土澆筑完成后20 d 時(shí)間范圍,其中澆筑結(jié)束后10 d 內(nèi)冷水管持續(xù)進(jìn)水降溫,后10 d 為停止?jié)菜蟮淖兓闆r。根據(jù)前述內(nèi)容,建立ANSYS 數(shù)值分析模型,對順?biāo)骱推叫兴鞣较虻膽?yīng)力變化情況進(jìn)行分析。

不同水管間距下內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)JC1 的平行水流方向的應(yīng)力變化情況見圖3。由圖3 可知,內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)JC1 在整個(gè)過程中均表現(xiàn)為受壓作用,其中20 d～25 d 時(shí)間范圍內(nèi)壓應(yīng)力不斷增大,之后壓應(yīng)力逐漸減小。這種壓應(yīng)力減小的變化過程中主要是由于冷水管通水降溫,內(nèi)、外溫差減小造成的,之后混凝土壓力急劇增大,該變化主要是由上部混凝土施工產(chǎn)生的荷載造成的,之后混凝土壓力應(yīng)力以較低的速度進(jìn)行增大。與不采取降溫措施相比,采用冷水管通水后,混凝土內(nèi)部壓應(yīng)力有所降低,表明,降低混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力,有利于混凝土的施工質(zhì)量。

圖3 JC1 水平方向應(yīng)力變化趨勢

不同水管間距下外部監(jiān)測點(diǎn)JC2 的平行水流方向的應(yīng)力變化情況見圖4。由圖4 可知,外部監(jiān)測點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測區(qū)間段內(nèi)均表現(xiàn)為承受拉應(yīng)力,主要是由于內(nèi)、外部環(huán)境之間溫差較大,混凝土溫度應(yīng)力導(dǎo)致表面受拉。當(dāng)開始澆筑上層混凝土?xí)r,應(yīng)力突變,數(shù)值模擬數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)冷水管布置間距為1 m×1 m 時(shí),混凝土內(nèi)部的拉應(yīng)力最大,其主要原因是混凝土內(nèi)部冷水管密度大導(dǎo)致溫度變化較為劇烈,從而導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。

圖4 JC2 水平方向應(yīng)力變化趨勢

不同冷水管布置方案監(jiān)測點(diǎn)JC2 的最大拉應(yīng)力情況見圖5。由圖5 可知,監(jiān)測點(diǎn)主要承受拉應(yīng)力,其中冷水管間距為1 m×1 m 時(shí)拉應(yīng)力最大,超過2.1 MPa,混凝土將產(chǎn)生拉張裂縫,導(dǎo)致施工質(zhì)量不滿足要求。

圖5 JC2 最大拉應(yīng)力變化趨勢

5 結(jié)論

采用ANSYS 數(shù)值分析方法對大體積混凝土重力壩施工溫度控制效果進(jìn)行研究,數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：采用冷水管進(jìn)行溫度控制,可以有效控制混凝土內(nèi)部溫度,冷水管布置密度越大控溫效果越好,當(dāng)密度過大時(shí),可能導(dǎo)致混凝土溫度低于大氣環(huán)境溫度,從而降低混凝土施工質(zhì)量。根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,當(dāng)水管密度過大時(shí),當(dāng)導(dǎo)致混凝土表面拉應(yīng)力過大,甚至超過抗拉強(qiáng)度,將造成混凝土表面出現(xiàn)裂縫,從而降低施工質(zhì)量。當(dāng)采用冷水管進(jìn)行降溫時(shí),需要控制冷水管密度,從而有效降低溫度,保證工程質(zhì)量。