李 妍，趙榮華，余航艇

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，長春 130118

0 引言

混凝土大壩作為大體積混凝土[1]構(gòu)造的一種，具有大體積混凝土相應(yīng)的諸多特點(diǎn).如作為一種脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，大體積混凝土內(nèi)的應(yīng)力較低且均勻，耐久性良好和抵抗意外荷載的能力強(qiáng)，但由于其表面經(jīng)常暴露在水中或空氣中，一年內(nèi)溫度的大幅改變會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，又因?yàn)闃?gòu)造中鋼含量很低，結(jié)構(gòu)中拉應(yīng)力一般由自身承受，因此，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案中一般不允許存在拉應(yīng)力.然而，在施工和結(jié)構(gòu)使用的過程中，溫度變化經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成大體積混凝土建筑產(chǎn)生裂縫,并且混凝土水灰比不同，凍融破壞的程度也不一樣.我國有大半國土處于季凍地區(qū)，氣溫的交替變化會(huì)導(dǎo)致屢次凍融循環(huán)[2]，使混凝土大壩出現(xiàn)宏觀裂縫，并繼續(xù)擴(kuò)展從而嚴(yán)重影響混凝土大壩的剛度、強(qiáng)度以及整體穩(wěn)定性，所以研究高寒地區(qū)的混凝土大壩的凍融問題，具有重要而現(xiàn)實(shí)的意義.

1 國內(nèi)混凝土凍融的研究現(xiàn)狀以及影響混凝土抗凍性能的主要因素

1.1 國內(nèi)混凝土凍融的研究現(xiàn)狀

近幾十年我國開始對混凝土凍融破壞進(jìn)行研究,頡玉龍[3]對不同水灰比和含氣量[4]下的混凝土試件進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)，并運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行模擬對比分析.其研究結(jié)果表明,水灰比和含氣量不同，混凝土抗凍性能存在明顯差異，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同水灰比和含氣量下混凝土的抗凍性能皆下降.

周禹辛[5]對凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)，并運(yùn)用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬.研究結(jié)果表明,在相同情況下凍融循環(huán)次數(shù)越小，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高,動(dòng)態(tài)加載速率越小，混凝土抗凍性能越好.

牛荻濤等[6]人采用凍融試驗(yàn)測試嚴(yán)寒環(huán)境下鋼筋混凝土的抗凍性能指標(biāo).結(jié)果表明,采用高強(qiáng)度混凝土、提高養(yǎng)護(hù)條件和鋼纖維[7]的摻入均可增強(qiáng)混凝土的抗凍性能，且寒冷氣候下空氣中濕度越高，混凝土抗凍性能越好.

楊平等[8]人采用正交試驗(yàn)探究水膠比、漿集比和石子級(jí)配對透水混凝土抗凍性能的影響，最終得到凍融環(huán)境下透水混凝土中3種因素的最佳配合比參數(shù)，且探究結(jié)果表明靜水壓的破壞程度是影響混凝土抗凍性能的主要原因.

1.2 影響混凝土抗凍性能的主要因素

造成混凝土構(gòu)造凍融破壞的原因很多，據(jù)以往資料分析，對混凝土抗凍性有著顯著影響的一般是以下幾個(gè)因素[9]：

(1) 含氣量. 混凝土內(nèi)部的氣體含量是其抗凍性能強(qiáng)弱的決定性因素之一.這些細(xì)孔彼此不連接，但是在混凝土冷凍的初始階段可以減小毛細(xì)孔的靜壓，使壓力降低，然而由于小孔隙數(shù)量眾多，結(jié)冰的過程會(huì)受到相對阻礙.

(2) 混凝土的飽水狀態(tài). 混凝土孔隙中所含溶液的飽和狀態(tài)與防凍性能息息相關(guān)，該值稱為極端飽和度.一般混凝土處于完全飽和狀態(tài)時(shí)，其被冷凍產(chǎn)生的膨脹壓力最大.混凝土的保水狀態(tài)與其所處的位置及當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件有關(guān).

(3) 混凝土的受凍齡期. 混凝土所具備的抗凍性能與其年齡成正比.水泥在水化時(shí)的反應(yīng)越完全，混凝土強(qiáng)度越高，其抗膨脹性能越出色.

(4) 水泥品種. 水泥的品種也決定了其抗凍性能的強(qiáng)弱，一般而言，就目前很多測試得到的結(jié)果，硅酸鹽水泥具有良好的抗凍性.

(5) 外加劑及摻和料的影響. 諸如減水劑、引氣劑等外加劑加入混凝土內(nèi)均能有效地提高混凝土的抗凍性.

2 凍融的數(shù)值模擬

為深入探討一年中不同水灰比的大體積混凝土抗凍性能差異并驗(yàn)證溫度為凍融破壞的主要因素，利用目前國際上通用的有限元分析軟件ANSYS對吉林省吉林市的豐滿大壩進(jìn)行凍融破壞模擬.豐滿大壩坐落在松花江干流中游，是重要的水利工程.

2.1 數(shù)值模擬

本次建模選取豐滿大壩13號(hào)壩段為分析對象，左側(cè)為迎水面，壩頂20 m×20 m，壩底60 m×20 m，壩高80 m，水位高度70 m.選用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C 35(水灰比為0.46)、C 50(水灰比0.34)和C 65(水灰比為0.26).在模擬混凝土大壩的凍融分析時(shí)結(jié)合溫度效應(yīng)[10]的一些理念，確定大壩一年四季隨溫度變化而變化的邊界條件后，再定義混凝土單元類型，在定義混凝土和基巖的材料模型中，定義熱分析階段的材料參數(shù)為：導(dǎo)熱性為各向同性，密度為2 400，比熱容為1.04，得到大壩的有限元模型見圖1.

2.2 劃分網(wǎng)格

元素類型編號(hào)為solid 70 ,以0.5劃分邊長，自由網(wǎng)格劃分后的圖形見圖2.

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

圖2 網(wǎng)格劃分模型Fig.2 Mesh generation model

圖3 對流條件Fig.3 Convection conditions

2.3 熱分析

首先給混凝土大壩模型所有選中的節(jié)點(diǎn)施加初始溫度10°，其次給混凝土大壩施加熱邊界條件，最后再給與空氣接觸的大壩表面和與水接觸的大壩表面施加對流條件,對流系數(shù)為3 000.施加對流條件時(shí)按每個(gè)月的平均氣溫施加.進(jìn)行熱分析后，可以查看溫度分布場.對流條件圖見圖3.

2.4 靜力求解

選擇分析類型Structural，將熱單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元，單元類型變?yōu)镾OLID 185，設(shè)定單元的材料特性：DENS=2 400，EX=24 000，PRXY=0.2，ALPX=0.000 01.再給基底施加全約束，施加自重、靜水壓力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后可查看靜水壓力、自重作用下的應(yīng)力圖和形變圖，見圖4.

去除其他荷載，再讀入熱分析，作為結(jié)構(gòu)荷載施加到體上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后可以查看溫度作用下的應(yīng)力值.施加自重、靜水壓力和溫度，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后，可以查看相應(yīng)的應(yīng)力值.

2.5 模型結(jié)果分析

經(jīng)過熱分析和結(jié)構(gòu)分析后查看模擬結(jié)果，圖5～圖8為一年中C 35，C 50和C 65這3種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土大壩在溫度作用下的數(shù)值模擬結(jié)果與C 35強(qiáng)度等級(jí)的混凝土大壩在靜水壓力、自重和溫度作用下的應(yīng)力分布圖.

(a 1) 一月份C 35強(qiáng)度應(yīng)力分布(a 1) Stress distribution of C 35 in January

(a 4) 四月份C 35強(qiáng)度應(yīng)力分布(a 4) Stress distribution of C 35 in April

(a 7) 七月份C 35強(qiáng)度應(yīng)力分布(a 7) Stress distribution of C 35 in July

(a 10) 十月份C 35強(qiáng)度應(yīng)力分布(a 10) Stress distribution of C 35 in October

可以通過模型的顏色變化判斷應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值的變化，顏色由紅橙黃綠青藍(lán)依次變化，表明數(shù)值減小.由12個(gè)月的應(yīng)力圖對比可看出溫度越低，大壩表面所受的凍融破壞越明顯；隨著水灰比的減小，即混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，混凝土的凍融破壞越不明顯，且通過比較C 35等級(jí)的混凝土在溫度作用下的應(yīng)力圖與在靜水壓力、自重和溫度共同作用下的應(yīng)力圖，可以看出靜水壓力和自重對凍融破壞的影響很小，溫度是凍融破壞的主要因素；由一月份、二月份、十一月份和十二月份的應(yīng)力圖可以看出凍融破壞的部位主要集中在下游面.

3 結(jié)論

經(jīng)過查閱資料和文獻(xiàn)，針對大體積混凝土大壩凍融破壞問題進(jìn)行了有限元分析，通過運(yùn)用ANSYS軟件模擬不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土大壩在一年內(nèi)受溫度影響的情況，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著混凝土水灰比的減小，混凝土的抗凍能力提升.

(2) 靜水壓力和自重對凍融破壞的影響并不大，溫度是凍融破壞的主要因素.

(3) 大壩破壞部位主要集中在下游面的表面.

混凝土大壩在一年內(nèi)要承受多次凍融破壞，提高混凝土的抗凍性能非常必要.減小水灰比有助于增強(qiáng)混凝土的抗凍能力，混凝土大壩的下游面在設(shè)計(jì)時(shí)必須采用高強(qiáng)度混凝土，其他部位的設(shè)計(jì)也應(yīng)多采用高強(qiáng)度混凝土.由于有限元分析計(jì)算中存在一些不足，計(jì)算時(shí)考慮的元素較少，分析結(jié)果會(huì)存在一定偏差，應(yīng)通過具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元模擬的準(zhǔn)確性.