大體積混凝土重力壩施工溫度控制措施研究

余 琳

（江西省水投建設集團有限公司,江西 南昌 330000）

1 引言

混凝土施工過程中產生過高的溫度將對混凝土施工質量產生不利影響,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部溫度,保證混凝土澆筑質量。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行了較為詳盡的研究。根據前人研究可知,數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驗,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 混凝土溫度計算原理

2.1 混凝土結構溫度場

在混凝土施工過程中,受到水泥水化熱有影響,混凝土內部溫度是動態變化的,在水泥水化放熱影響下,混凝土內部溫度將隨之變化。為了分析簡便,可將混凝土內部市委存在一處熱源,在熱源作用下混凝土溫度不斷發生變化。混凝土內部應力場可滿足下述條件：

式中：T、a、θ分別為混凝土溫度、導熱系數、絕熱溫升；τ為時間。

采用冷水管降溫時,熱傳導方程為：

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為與冷卻效果有關的函數。

2.2 溫度應力

溫度應力主要是由于混凝土內部的初始、最終溫度不同,兩者之間存在溫差,在溫差作用下會導致混凝土內部出現溫度應力,當超出一定程度時可導致混凝土出現裂縫,影響混凝土施工質量。

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

3 數值模擬模型建立及參數選取

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,根據相關工程經驗[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 計算參數選取

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

表1 數值模擬計算參數取值

3.3 混凝土徐變假定

采用ANSYS數值模擬分析時,混凝土徐變的計算原理如下：

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

表2 混凝土徐變各參數取值

4 混凝土施工溫度數值模擬計算結果

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。在壩體內部和表面布置監測點,獲取壩體內部的溫度場和應力場變化特性。其中,監測點JC1 位于第三分層建筑的中心點位置,JC2 位于第三分院的表面。冷水管通水時間從第三層澆筑之日開始,通水時間終止時間為混凝土澆筑完成后10 d。通水結束后繼續對混凝土溫度變化進行監測,監測點的檢測側數據見圖2。

圖2 內部監測點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部溫度均表現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部問題,冷水管間距越小,內部降溫越顯著。由于冷水管進水口水溫較低,采用1 m×1 m 間距時,混凝土內部溫度將低于大氣環境溫度,此時將可能導致溫度應力超過混凝土抗拉強度,將導致混凝土出現拉張裂縫。混凝土表面監測點JC2 的溫度變化趨勢同外界大氣環境溫度。

4.2 應力場變化特征

應力場分析時間為混凝土澆筑完成后20 d 時間范圍,其中澆筑結束后10 d 內冷水管持續進水降溫,后10 d 為停止澆水后的變化情況。根據前述內容,建立ANSYS 數值分析模型,對順水流和平行水流方向的應力變化情況進行分析。

不同水管間距下內部監測點JC1 的平行水流方向的應力變化情況見圖3。由圖3 可知,內部監測點JC1 在整個過程中均表現為受壓作用,其中20 d～25 d 時間范圍內壓應力不斷增大,之后壓應力逐漸減小。這種壓應力減小的變化過程中主要是由于冷水管通水降溫,內、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生的荷載造成的,之后混凝土壓力應力以較低的速度進行增大。與不采取降溫措施相比,采用冷水管通水后,混凝土內部壓應力有所降低,表明,降低混凝土內部溫度應力,有利于混凝土的施工質量。

圖3 JC1 水平方向應力變化趨勢

不同水管間距下外部監測點JC2 的平行水流方向的應力變化情況見圖4。由圖4 可知,外部監測點在整個監測區間段內均表現為承受拉應力,主要是由于內、外部環境之間溫差較大,混凝土溫度應力導致表面受拉。當開始澆筑上層混凝土時,應力突變,數值模擬數據顯示,當冷水管布置間距為1 m×1 m 時,混凝土內部的拉應力最大,其主要原因是混凝土內部冷水管密度大導致溫度變化較為劇烈,從而導致內部出現較大的拉應力。

圖4 JC2 水平方向應力變化趨勢

不同冷水管布置方案監測點JC2 的最大拉應力情況見圖5。由圖5 可知,監測點主要承受拉應力,其中冷水管間距為1 m×1 m 時拉應力最大,超過2.1 MPa,混凝土將產生拉張裂縫,導致施工質量不滿足要求。

圖5 JC2 最大拉應力變化趨勢

5 結論

采用ANSYS 數值分析方法對大體積混凝土重力壩施工溫度控制效果進行研究,數值計算結果表明：采用冷水管進行溫度控制,可以有效控制混凝土內部溫度,冷水管布置密度越大控溫效果越好,當密度過大時,可能導致混凝土溫度低于大氣環境溫度,從而降低混凝土施工質量。根據應力監測數據可知,當水管密度過大時,當導致混凝土表面拉應力過大,甚至超過抗拉強度,將造成混凝土表面出現裂縫,從而降低施工質量。當采用冷水管進行降溫時,需要控制冷水管密度,從而有效降低溫度,保證工程質量。