氣溫驟降對(duì)薄壁混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響

丁兵勇 唐瑜蓮

(1.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310014; 2.浙江省水利水電工程局，浙江杭州 310020)

大量工程實(shí)踐資料表明，氣溫驟降是引起混凝土表面裂縫的主要原因。尤其對(duì)薄壁混凝土結(jié)構(gòu)而言，由于結(jié)構(gòu)斷面尺寸較小，表面裂縫很容易發(fā)展成貫穿性裂縫，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的整體性和安全性。針對(duì)這一問題，本文采用有限單元法，以某倒虹吸地涵為研究對(duì)象，計(jì)算分析氣溫驟降對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的影響。

1 計(jì)算原理及方法

1.1 非穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算原理及方法

在混凝土計(jì)算域R內(nèi)任意一點(diǎn)處，非穩(wěn)定溫度場(chǎng)T(x，y，z，τ)需滿足熱傳導(dǎo)方程:

其中，T為溫度，℃;a為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h;θ為絕熱溫升，℃;τ為時(shí)間，h。溫度場(chǎng)有限元計(jì)算方法見文獻(xiàn)［1］。

1.2 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算原理及方法

混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變?cè)隽堪◤椥詰?yīng)變?cè)隽俊⑿熳儜?yīng)變?cè)隽俊囟葢?yīng)變?cè)隽俊⒏煽s應(yīng)變?cè)隽亢妥陨w積應(yīng)變?cè)隽浚虼?

2 計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型

某倒虹吸地涵管身為兩孔一聯(lián)的鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，每節(jié)長(zhǎng)約15 m，單孔過水?dāng)嗝娉叽?.4 m×5.4 m，管身橫斷面如圖1所示。計(jì)算模型如圖2所示，基礎(chǔ)及管身混凝土的熱力學(xué)參數(shù)均由試驗(yàn)確定，計(jì)算中對(duì)施工過程、環(huán)境因素等均進(jìn)行仿真模擬。

溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，對(duì)于計(jì)算域中地基底面及四周側(cè)面取為絕熱邊界，混凝土表面均為第三類熱交換邊界。應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí)，地基底面及四周側(cè)面取為法向約束，其他臨空面為自由邊界。

2.2 計(jì)算工況

工況1:春季開始施工，澆筑溫度取環(huán)境溫度+3℃。

工況2:在工況1基礎(chǔ)上，考慮氣溫驟降影響。混凝土澆筑完畢2 d后遭遇為期5 d、一天內(nèi)降溫15℃，低溫持續(xù)3 d，然后在一天內(nèi)恢復(fù)到正常氣溫的“U”形寒潮。

圖1 倒虹吸管橫截面（單位：cm）

圖2 計(jì)算模型

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)氣溫驟降對(duì)溫度場(chǎng)的影響。如圖3所示，氣溫驟降時(shí)，墻體混凝土表面受寒潮影響較大，溫度變化趨勢(shì)與環(huán)境氣溫相類似，呈“U”形。與表面混凝土相比，墻體內(nèi)部混凝土溫降幅度相對(duì)較小，受氣溫影響而產(chǎn)生的溫度變化也相對(duì)有所滯后，早期混凝土的內(nèi)外溫差進(jìn)一步增大。如圖3所示，工況1中，早期混凝土最大內(nèi)外溫差約為10℃，工況2中，氣溫驟降時(shí)，表面混凝土的溫降幅度約16℃，其早期混凝土內(nèi)外溫差達(dá)到16℃。

圖3 工況1和工況2中墻體混凝土表面點(diǎn)和中心點(diǎn)的溫度歷時(shí)曲線

2)氣溫驟降對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響。如圖4所示，由于內(nèi)外溫差作用，混凝土產(chǎn)生了相應(yīng)的變形約束。相對(duì)于內(nèi)部混凝土來講，外表面混凝土處于相對(duì)收縮變形的狀態(tài)，而內(nèi)部混凝土則處于相對(duì)體積膨脹的狀態(tài)。因而在表面相對(duì)受張拉的區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部相對(duì)受擠壓的區(qū)域就產(chǎn)生了壓應(yīng)力。如圖3和圖4所示，氣溫驟降期間，由于混凝土內(nèi)外溫差的進(jìn)一步增大，其混凝土表面拉應(yīng)力也相應(yīng)急劇增長(zhǎng)。工況2中，氣溫驟降時(shí)，表面混凝土拉應(yīng)力由1.0 MPa迅速上升至2.5 MPa，此時(shí)對(duì)早齡期混凝土來說，混凝土即時(shí)允許應(yīng)力仍較低，極易導(dǎo)致混凝土表面的開裂。

3 結(jié)論與建議

1)氣溫驟降時(shí)，混凝土表面溫度急劇下降，相比較而言，混凝土內(nèi)部溫度下降有所滯后。此時(shí)混凝土的內(nèi)外溫差進(jìn)一步加大，混凝土表面拉應(yīng)力急劇增長(zhǎng)。對(duì)早齡期的混凝土而言，此時(shí)混凝土的即時(shí)允許應(yīng)力仍較低，極易導(dǎo)致混凝土表面的開裂。

圖4 工況1和工況2中墻體混凝土表面點(diǎn)和中心點(diǎn)的主應(yīng)力歷時(shí)曲線

2)氣溫驟降時(shí)，應(yīng)根據(jù)氣溫降幅，提前對(duì)混凝土表面覆蓋適宜的保溫材料，以削減混凝土表面的溫降幅度，減小混凝土的內(nèi)外溫差，從而減小混凝土表面的拉應(yīng)力峰值，以達(dá)到限制混凝土表面開裂的目的。

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