馬 寧

(黑龍江省慶達(dá)水利水電工程有限公司，哈爾濱 150000)

0 前 言

混凝土大壩施工期普遍存在裂縫，正確掌握大壩溫度應(yīng)力分布，采取合理溫控設(shè)計(jì)措施對(duì)指導(dǎo)混凝土施工意義重大。文章結(jié)合混凝土溫度應(yīng)力有限元原理，結(jié)合實(shí)際工程計(jì)算分析混凝土出機(jī)溫度、入倉(cāng)溫度和澆筑溫度，比對(duì)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，提出施工期不同月份應(yīng)采取的溫控措施，結(jié)論對(duì)混凝土大壩溫度控制具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

1 工程概況

某水利樞紐工程位于中國(guó)四川省境內(nèi)，水庫(kù)總庫(kù)容為6.87×108m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為6.2×108m3。工程規(guī)模為大Ⅰ型，樞紐建筑物包括大壩、泄洪系統(tǒng)、引水洞、右岸發(fā)電廠房等[1]，攔水壩為碾壓混凝土拱壩，最大壩高124m，壩頂寬10m。

根據(jù)氣象站1971-2010年資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫13.5℃，極端最高氣溫38.2℃，最低氣溫-15.3℃；多年平均降水量874mm，多年平均蒸發(fā)量1315mm，多年平均風(fēng)速1.2m/s，風(fēng)向多SSW，11月—次年3月為土層冰凍期，最大凍土深度10cm。碾壓混凝土拱壩體型圖，見(jiàn)圖1；應(yīng)力增量示意圖，見(jiàn)圖2。

圖1 碾壓混凝土拱壩體型圖

2 溫度應(yīng)力有限元原理

溫度變形只產(chǎn)生剪應(yīng)變，單元等效結(jié)點(diǎn)溫度荷載表達(dá)式為[2]：

(1)

式中：[B]為應(yīng)變與位移的轉(zhuǎn)換矩陣；[D]為彈性矩陣。

混凝土是彈性徐變體，其徐變?nèi)岫葹椋?/p>

(2)

式中：E(τ)為瞬時(shí)彈性模量；C(t,τ)為徐變度。

圖2 應(yīng)力增量示意圖

定義應(yīng)力在時(shí)段△τi呈線性變化，則彈性應(yīng)變?cè)隽縶△εne}為：

(3)

應(yīng)力增量與應(yīng)變?cè)隽筷P(guān)系為：

(4)

單元的結(jié)點(diǎn)力增量為：

{△F}e=?[B]T{△σ}dxdydz

(5)

將單元整體集成，可得整體平衡方程[3]：

[K]{△δn}={△Pn}L+{△Pn}C+{△Pn}T+{△Pn}0+{△Pn}S

(6)

相互疊加可得各單元τn的應(yīng)力為：

{σn}=∑{△σn}

(7)

3 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)[4]

壩體混凝土基礎(chǔ)允許溫差，見(jiàn)表1。

表1 壩體混凝土基礎(chǔ)允許溫差

混凝土容許最高溫度包括出機(jī)口溫度、澆筑溫度，層間厚度、冷卻水管或澆筑過(guò)程中采取隔熱保護(hù)、噴霧等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。壩體混凝土容許最高溫度，見(jiàn)表2。

表2 壩體混凝土容許最高溫度

4 溫度計(jì)算分析

4.1 出機(jī)口溫度計(jì)算

混凝土出機(jī)口溫度與原材料溫度有關(guān)，考慮主要原材溫度的混凝土出機(jī)口溫度計(jì)算式為[5]：

(8)

出機(jī)口溫度計(jì)算針對(duì)壩體用量最大的C9025二、三級(jí)配碾壓混凝土，碾壓混凝土配合比，見(jiàn)表4；自然拌和各原材料溫度，見(jiàn)表5；自然拌和時(shí)各強(qiáng)度等級(jí)混凝土出機(jī)口溫度，見(jiàn)表6。

表4 碾壓混凝土配合比

表5 自然拌和各原材料溫度

表6 自然拌和時(shí)各強(qiáng)度等級(jí)混凝土出機(jī)口溫度

自然拌和情況下，碾壓三級(jí)配混凝土各月的出機(jī)口溫度平均高于對(duì)應(yīng)月份的平均氣溫，基本超過(guò)各平均氣溫1.8-3.5℃；二級(jí)配混凝土各月的出機(jī)口溫度也均高于月平均氣溫，超過(guò)各月平均氣溫3.6-5.3℃。

4.2 入倉(cāng)溫度

混凝土入倉(cāng)溫度按：

T1=T0(Ta+R/β-T0)×(φ1+φ2+φ3+…φn)

(9)

式中：T1為入倉(cāng)溫度；T0為出機(jī)口溫度；Ta為運(yùn)輸氣溫；R/β為太陽(yáng)輻射熱溫升；φ1+φ2+φ3+…φn為溫度回升系數(shù)。

對(duì)混凝土各月入倉(cāng)溫度進(jìn)行計(jì)算，混凝土入倉(cāng)溫度，見(jiàn)表7。

表7 混凝土入倉(cāng)溫度

4.3 澆筑溫度

混凝土澆筑溫度按經(jīng)驗(yàn)公式：

Tp=T1+(Ta+R/β-TI)(φ1+φ2)

(10)

式中：Tp為澆筑溫度；T1為入倉(cāng)溫度；Ta為環(huán)境溫度；R/β為太陽(yáng)輻射熱溫升；φ1為溫度系數(shù)，φ1=kτ，k=0.0030(1/min)，τ取20min。

碾壓混凝土覆蓋時(shí)間取1-6h，每小時(shí)計(jì)算澆筑溫度，太陽(yáng)輻射熱按100%，70%，30%和0進(jìn)行折減，層面保溫下的C9025碾壓三級(jí)配混凝土澆筑溫度計(jì)算結(jié)果，C9025碾壓三級(jí)配混凝土澆筑溫度，見(jiàn)表8。

表8 C9025碾壓三級(jí)配混凝土澆筑溫度

自然拌和情況下，碾壓混凝土各月的出機(jī)口溫度均比相應(yīng)月的月平均氣溫高，超過(guò)各月平均氣溫1.8-3.5℃。低氣溫月1月、12月存在溫度過(guò)低現(xiàn)象，應(yīng)加熱水拌和混凝土，控制混凝土澆筑溫度>5℃。高氣溫月份5-9月應(yīng)采取遮擋太陽(yáng)、水路循環(huán)冷卻或噴霧等方式降低混凝土的溫度回升。4月、10月拌制的碾壓混凝土粗骨料風(fēng)冷至10℃，5月、9月粗骨料風(fēng)冷至7℃，6月風(fēng)冷至6℃，7月和8月風(fēng)冷至5℃。

5 結(jié) 論

文章基于混凝土溫度應(yīng)力有限元基本理論，結(jié)合工程實(shí)際計(jì)算施工期混凝土的出機(jī)口溫度、入倉(cāng)溫度和澆筑溫度，對(duì)比溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，提出不同月份對(duì)原材溫度和混凝土溫度的控制措施，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果對(duì)比，分析認(rèn)為合理的溫控措施能夠有效降低溫度應(yīng)力，保證大壩混凝土的澆筑質(zhì)量。