水庫大壩大體積混凝土施工溫度控制分析

周 游

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司,貴陽 550002)

1 概 述

大體積混凝土施工溫度控制情況對工程施工質量影響較大,當混凝土內部溫度較高時,可能導致混凝土應力集中形成裂縫。因此,在工程實施過程中,需要結合實際情況,采用適宜的溫度控制措施,從而保障混凝土施工質量。

根據已有研究可知,在工程實踐中,經常采用布置冷水管方式進行混凝土施工溫度控制[1-3]。在進行混凝土施工溫度控制效果研究中,通常采用數值模擬分析方法。艾心熒等[4]采用有限元模擬和縮小物理模型試驗,對大體積混凝土施工溫度綜合控制措施進行了分析,通過數值分析參數,指導工程實踐,取得了良好的效果。孫文[5]結合某超高層項目基礎大體積混凝土澆筑工程的實際情況,認為ANSYS計算數據比熱工計算結果更準確。蔣林倪[6]結合長沙綜合樞紐船閘閘首混凝土施工情況,采用數值模擬方法,對溫度場進行了分析,通過與現場監測數據進行對比分析,數值分析結果較為可靠。

根據上述研究可知,數值模擬分析方法在大體積混凝土施工溫度場研究中的計算精度較為可靠。因此,本文結合某重力壩底板大體積混凝土施工工程,采用數值分析方法,研究不同的冷水管布置情況對混凝土施工溫度控制效果的影響。

2 混凝土溫度計算原理

2.1 混凝土結構溫度場

水泥水化熱是導致混凝土施工過程中溫度發生較大變化的主要原因。由于水化熱釋放是一個動態變化的過程,因此混凝土內部溫度不是恒定不變的,是受水化熱的影響而不斷變化。為了計算簡便,可將計算模型進行簡化,認為混凝土內部存在一處熱源,在熱源不斷釋放熱量的情況下,混凝土內部溫度不斷變化。混凝土內部應力場可滿足下述條件:

(1)

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。

當采用冷水管方式控制混凝土施工溫度時,熱傳導方程為:

(2)

式中:T0、θ0為混凝土初始溫度和最終絕熱溫升;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

由于混凝土內部的初始溫度、最終溫度不完全相同,兩者之間存在溫差,從而導致混凝土內部出現溫度應力。當溫度應力超過一定數值時,即超過混凝土抗拉強度后,將導致混凝土出現裂縫,對工程施工質量產生不利影響。

溫度應力滿足如下關系:

(3)

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

3 數值模型建立及參數選取

3.1 模型建立

重力壩底板最厚部位2.1m,屬于大體積混凝土。為了降低混凝土的內外溫差,防止因溫差過大而引起混凝土裂縫,確保大體積混凝土施工質量,應采取以下溫控措施:

1)選用水化熱低的水泥。

2)在滿足混凝土強度、耐久性和和易性的前提下,改善混凝土骨料級配。

3)加優質粉煤灰及高效減水劑,以適當減少單位水泥用量。

4)在底板等大體積混凝土結構中通冷卻水管,冷水管布置兩層,分別在距離底板和頂板0.3m處,冷水管間距設置為2、1、0.5m。冷水管進水溫度為10℃,管中水的流速控制在0.6m/s內,水流方向24h調換一次。冷水管布置方式見圖1。

圖1 冷水管布置示意圖

5)加強成型混凝土覆蓋保溫、保濕養護,減小混凝土內外溫度差,延長混凝土養護時間。

6)高溫季節骨料場、澆筑倉面及拌和系統搭設遮陽棚防曬。

7)采取骨料堆噴灑地下水降溫等措施,確保混凝土質量。

3.2 計算參數

目前,有較多的軟件可以實現溫度場-應力場耦合分析,均取得良好的效果。ANSYS軟件作為其中最為常用的軟件,具有建模簡便,計算分析速度快等優勢[7-9]。采用ANSYS軟件分析混凝土施工溫度控制效果的主要步驟如下:利用ANSYS軟件,獲取混凝土內部的熱分析數據作為溫度應力(荷載),對混凝土內部的應力情況進行模擬分析,從而獲取溫度控制效果。不同材料數值計算參數見表1。

表1 數值模擬計算參數取值

3.3 混凝土徐變計算

混凝土徐變的計算公式如下:

C(t,τ)=(A1+A2/τα1)[1-e-k1(t-τ)]+(B1+B2/τα2)[1-e-k2(t-τ)]+De-k3τ[1-e-k3(t-τ)]

(4)

式中:C為混凝土的徐變程度;t-τ為持荷時間;k、A、B、D、α為徐變擬合的參數。

混凝土徐變參數取值見表2。

表2 混凝土徐變各參數取值

4 混凝土施工溫度計算結果分析

4.1 溫度場變化情況分析

冷水管布置間距對重力壩底板混凝土施工溫度控制效果影響較大,因此在壩底板混凝土內部及表面布置監測點,分析底板混凝土內部溫度場、應力場變化情況。其中,JC1布置在底板混凝土內部;JC2布置于底板混凝土表面以下50mm的位置。冷水管從混凝土開始澆筑時通水,澆筑完成10天后停止通水。通水結束后,需要繼續對底板混凝土內部溫度場及應力場情況進行監測。

底板混凝土內部監測點JC1監測數據見圖2。由圖2可知,混凝土內部溫度表現為先上升后下降的變化趨勢。經對比,冷水管通水后混凝土內部溫度上升速率較不通水情況有所減緩,溫度下降速率較不通水情況有所增加,且混凝土內部最高溫度亦低于不通水情況,表明采用冷水管通水后,才可以有效控制混凝土內部溫度。當冷水管布置間距越小時,混凝土內部溫度上升速率越慢,溫度下降速率越大,最終溫度也越低。當采用0.5m的間距布置冷水管時,將可能導致混凝土內部溫度低于施工環境溫度,此時混凝土表面可能出現拉張裂縫,影響混凝土最終施工質量。

圖2 監測點JC1溫度變化特征

4.2 應力場變化特征

重力壩底板大體積混凝土內部應力場變化情況,從混凝土澆筑結束20天后開始。根據施工安排,在混凝土澆筑完成后的10天內保持冷水管繼續通水,分析時間至停止通水后10天后結束。根據上述原則,建立ANSYS數值計算模型,研究重力壩底板混凝土內部應力變化的情況。

不同冷水管布置條件下,底板混凝土內部監測點JC1的應力變化曲線見圖3。由圖3可知,JC1整個監測過程均承受受壓作用,在20～25天時間內,壓力增加,之后壓力減小。這個變化過程主要是因為20～25天范圍內,上部混凝土施工造成的。采用冷水管降溫后,混凝土內部壓力較不通水情況顯著降低,表明混凝土內部溫度有利于提升底板混凝土澆筑施工質量。

圖3 JC1水平方向應力變化趨勢

JC2平行水流方向的應力變化趨勢見圖4。由圖4可知,JC2在整個研究期間均承受拉應力。其原因是混凝土內外溫差較大,在溫差影響下,混凝土表面承受拉應力。而且冷水管間距越小,拉應力越大。

圖4 JC2水平方向應力變化趨勢

JC2最大拉應力變化趨勢見圖5。由圖5可知,當冷水管布置間距過小時,可導致混凝土表面承受較大的拉應力,甚至超過混凝土材料的抗拉強度,對混凝土施工質量不利。

圖5 JC2最大拉應力變化趨勢

5 結 論

為了分析不同的冷水管布置間距對重力壩底板混凝土澆筑的影響,采用ANSYS軟件,建立溫度-應力耦合分析計算模型。研究表明,采用冷水管通水可以降低混凝土內部溫度,冷水管間距越小,溫度降低越明顯。但冷水管間距過小時,可導致混凝土表面出現較大的拉應力。經綜合考慮,采用1m的間距較為適宜。