循環凍融環境條件下河道堤防混凝土應力分布特征計算研究

劉 建，陳 鑫

(遼寧天陽工程技術咨詢服務有限公司，遼寧 沈陽 110001)

在北方地區，冬季氣溫較低，而循環凍融條件下混凝土的應力受力影響不同，而對循環凍融條件的混凝土的應力變化進行分布特征的分析，有助于河道堤防的穩定性設計。當前，國內許多水利工程學者對循環凍融環境下的混凝土進行了應力分析的研究[1- 6]，但這些研究大都采用物理模型試驗的方式進行循環凍融環境下的混凝土應力分析，而采用理論計算模型的進行原型觀測試驗的研究較少。近些年來，理論計算模型逐步在許多凍融環境條件下的鋼筋應力分析中得到驗證和應用[7- 9]，但是在河道堤防應用還較少，特別是在遼寧地區，還未進行相關應用，為此本文以遼寧中部某河道堤防為研究工程實例，結合理論計算模型分析循環凍融環境條件下河道堤防混凝土的應力分布特征。研究成果對于北方河道堤防混凝土在循環凍融環境下的應力變化特征計算提供方法參考。

1 理論計算模型原理

循環凍融環境條件下，河道堤防混凝土所受到應力分別為徑向方向和切向方向上的應力，計算方程分別為：

(1)

(2)

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

其中混凝土咬合處擠壓受力面積計算方程為：

AC=π(d′+6h)lsinβ

(3)

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

理論計算模型對循環凍融環境條件下的混凝土橫向擠壓力計算pt進行計算，計算方程為：

(4)

式中，pt—混凝土橫向推力，kN；a—轉角參數。

模型采用以下方程對轉角和斜列頂縫的夾角進行確定，確定方程為：

(5)

(6)

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

循環凍融環境條件下河道堤防強度破壞的計算準則為：

(7)

式中，fc—軸心強度折減參數；k1～k4—計算參數；J2—應力。

2 工程實例應用

2.1 工程概況及參數設置

本文以遼寧中部某設計河道堤防為工程實例，對其冬季循環凍融條件下混凝土應力分布進行特征分析，該河道堤防主體為混凝土鋼筋結構，其土類的主要特征參數見表1。本文結合河道堤防混凝土特征參數，對循環凍融環境條件下的河道堤防混凝土的應力分布特征進行分析。

表1 河道設計堤防混凝土類主要參數

2.2 凍融條件下的河道堤防鋼筋應力精度分析

為對理論計算模型進行驗證，結合原位觀測試驗，分析不同凍融次數下各直徑下的河道堤防混凝土應力計算精度，分析結果見表2。

表2 循環凍融條件下河道堤防混凝土應力精度分析結果

圖1 循環凍融環境下不同直徑應力精度相關分析

從表2中可以看出，隨著直徑D和凍融次數的增加，設計河道堤防混凝土的應力值逐步增加，其增加幅度較大。這主要是因為當混凝土受力面直徑增大，其應力有所增加。而當循環凍融次數從20～30次后，各直徑D下的混凝土應力趨于穩定，這主要是因為隨著凍融次數的增加，設計河道堤防摩擦應力逐步減小，使得其受力面的應力逐步趨于穩定。從圖1中可以看出，在D=20cm下，試驗測定的應力和計算應力相關系數為0.6543，而當D=40cm下，試驗測定的應力和計算應力相關系數為0.6728，其相關性呈現指數相關，且隨著D的增加，其相關性增加，理論計算模型精度越高。

2.3 不同凍融次數下的河道堤防混凝土應力分布特征試驗分析

在理論計算模型驗證的基礎上，對不同凍融次數下河道堤防混凝土的應力分布特征進行了試驗分析，試驗分析結果見表3和圖2。

從表3中可以看出，隨著凍融次數的增加，各深度下的應力逐步增加，且逐步從由加載端(10cm)向自由端變動(20cm)變動，且當凍融次數從20～30次后，其各深度下的應力分布區域穩定。可見凍融次數在20～30次后，設計河道堤防的混凝土的應力逐步增加，當達到一定程度后，達到最大的抗剪應力強度，河道堤防混凝土的應力逐步區域穩定結構。從圖2中可以看出，隨著循環凍融次數的增加，其混凝土不同類型土地應力分布呈較為復雜的S形分布，這主要是因為隨著循環凍融次數的增加，設計河道堤防的粘聚力也逐步減少，而隨著循環凍融次數的逐漸增加，當增加到20～30次后，設計河道堤防混凝土的含水量也逐步減少，使得黏聚力和內摩擦角逐漸下降至穩定的狀態，為此從圖2中可以看出，當循環凍融次數增加后，其黏聚力和內摩擦角都逐步區域平衡狀態，有利于河道堤防的設計穩定性。

表3 不同凍融次數下的河道堤防混凝土應力試驗結果

圖2 不同循環凍融次數下河道堤防混凝土應力分布試驗分析結果

3 結語

本文結合理論計算模型對遼寧中部某設計河道堤防混凝土的應力分布特征進行計算試驗分析，分析取得以下結論：

(1)理論計算模型可用來分析北方地區循環凍融環境條件下的河道應力分布情況，隨著凍融試驗次數增加，其計算精度逐步提高。

(2)通過計算發現，隨著凍融次數增加，河道堤防混凝土應力趨于穩定，可通過分析計算確定設計河道堤防凍融上限和范圍，從而提高設計河道堤防的穩定性。

[1] 李伯瀟. 凍融環境下鋼筋與粉煤灰混凝土的黏結性能研究[D]. 內蒙古科技大學, 2014.

[2] 孫俊峰. 淺淡引氣劑在抗凍混凝土中的應用[J]. 水利技術監督, 2017(02): 59- 60+67.

[3] 于琦, 牛荻濤, 元成方, 等. 凍融環境下混凝土碳化深度的試驗研究[J]. 硅酸鹽通報, 2012(04): 979- 983.

[4] 陳雯龍. 新疆混凝土防滲渠道凍脹破壞成因分析及防凍脹措施[J]. 水利技術監督, 2011(03): 45- 47+55.

[5] 肖前慧, 牛荻濤, 朱文憑. 凍融環境下混凝土強度衰減模型與耐久性壽命預測[J]. 建筑結構, 2011(S2): 203- 207.

[6] 李勝, 孫保沭, 王海龍. 大體積混凝土溫度裂縫與防治[J]. 水利技術監督, 2005(02): 76- 78.

[7] 田威, 邢凱, 謝永利. 凍融環境下混凝土損傷劣化機制的力學試驗研究[J]. 實驗力學, 2015(03): 299- 304.

[8] 段安, 錢稼茹. 凍融環境下約束混凝土應力-應變全曲線試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2010(S1): 3015- 3022.

[9] 肖前慧, 牛荻濤, 趙陽, 等. 凍融環境下引氣混凝土力學性能研究[J]. 混凝土, 2009(06): 10- 11.