周 游

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽(yáng) 550002)

1 概 述

大體積混凝土施工溫度控制情況對(duì)工程施工質(zhì)量影響較大,當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度較高時(shí),可能導(dǎo)致混凝土應(yīng)力集中形成裂縫。因此,在工程實(shí)施過程中,需要結(jié)合實(shí)際情況,采用適宜的溫度控制措施,從而保障混凝土施工質(zhì)量。

根據(jù)已有研究可知,在工程實(shí)踐中,經(jīng)常采用布置冷水管方式進(jìn)行混凝土施工溫度控制[1-3]。在進(jìn)行混凝土施工溫度控制效果研究中,通常采用數(shù)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(yàn),對(duì)大體積混凝土施工溫度綜合控制措施進(jìn)行了分析,通過數(shù)值分析參數(shù),指導(dǎo)工程實(shí)踐,取得了良好的效果。孫文[5]結(jié)合某超高層項(xiàng)目基礎(chǔ)大體積混凝土澆筑工程的實(shí)際情況,認(rèn)為ANSYS計(jì)算數(shù)據(jù)比熱工計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。蔣林倪[6]結(jié)合長(zhǎng)沙綜合樞紐船閘閘首混凝土施工情況,采用數(shù)值模擬方法,對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析,通過與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,數(shù)值分析結(jié)果較為可靠。

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

2 混凝土溫度計(jì)算原理

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

水泥水化熱是導(dǎo)致混凝土施工過程中溫度發(fā)生較大變化的主要原因。由于水化熱釋放是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程,因此混凝土內(nèi)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(jì)算簡(jiǎn)便,可將計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,認(rèn)為混凝土內(nèi)部存在一處熱源,在熱源不斷釋放熱量的情況下,混凝土內(nèi)部溫度不斷變化?；炷羶?nèi)部應(yīng)力場(chǎng)可滿足下述條件:

(1)

式中:T、a、θ分別為混凝土溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、絕熱溫升;τ為時(shí)間。

當(dāng)采用冷水管方式控制混凝土施工溫度時(shí),熱傳導(dǎo)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(guān)的函數(shù)。

2.2 溫度應(yīng)力

由于混凝土內(nèi)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(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力超過一定數(shù)值時(shí),即超過混凝土抗拉強(qiáng)度后,將導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫,對(duì)工程施工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

溫度應(yīng)力滿足如下關(guān)系:

(3)

式中:Kp、R分別為應(yīng)力松弛系數(shù)和約束系數(shù);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(shù)和混凝土溫升折減系數(shù);Tf、B、c、ε0分別為水化熱溫升、溫度應(yīng)力系數(shù)、形變影響系數(shù)和初始應(yīng)變。

3 數(shù)值模型建立及參數(shù)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(nèi)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(zhì)量,應(yīng)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(qiáng)度、耐久性和和易性的前提下,改善混凝土骨料級(jí)配。

3)加優(yōu)質(zhì)粉煤灰及高效減水劑,以適當(dāng)減少單位水泥用量。

4)在底板等大體積混凝土結(jié)構(gòu)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(shè)置為2、1、0.5m。冷水管進(jìn)水溫度為10℃,管中水的流速控制在0.6m/s內(nèi),水流方向24h調(diào)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(qiáng)成型混凝土覆蓋保溫、保濕養(yǎng)護(hù),減小混凝土內(nèi)外溫度差,延長(zhǎng)混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

6)高溫季節(jié)骨料場(chǎng)、澆筑倉(cāng)面及拌和系統(tǒng)搭設(shè)遮陽(yáng)棚防曬。

7)采取骨料堆噴灑地下水降溫等措施,確?；炷临|(zhì)量。

3.2 計(jì)算參數(shù)

目前,有較多的軟件可以實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)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(jiǎn)便,計(jì)算分析速度快等優(yōu)勢(shì)[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(nèi)部的熱分析數(shù)據(jù)作為溫度應(yīng)力(荷載),對(duì)混凝土內(nèi)部的應(yīng)力情況進(jìn)行模擬分析,從而獲取溫度控制效果。不同材料數(shù)值計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)取值

3.3 混凝土徐變計(jì)算

混凝土徐變的計(jì)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(shí)間;k、A、B、D、α為徐變擬合的參數(shù)。

混凝土徐變參數(shù)取值見表2。

表2 混凝土徐變各參數(shù)取值

4 混凝土施工溫度計(jì)算結(jié)果分析

4.1 溫度場(chǎng)變化情況分析

冷水管布置間距對(duì)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(nèi)部及表面布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),分析底板混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化情況。其中,JC1布置在底板混凝土內(nèi)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(shí)通水,澆筑完成10天后停止通水。通水結(jié)束后,需要繼續(xù)對(duì)底板混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

底板混凝土內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖2。由圖2可知,混凝土內(nèi)部溫度表現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢(shì)。經(jīng)對(duì)比,冷水管通水后混凝土內(nèi)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(nèi)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(nèi)部溫度。當(dāng)冷水管布置間距越小時(shí),混凝土內(nèi)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(dāng)采用0.5m的間距布置冷水管時(shí),將可能導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度低于施工環(huán)境溫度,此時(shí)混凝土表面可能出現(xiàn)拉張裂縫,影響混凝土最終施工質(zhì)量。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1溫度變化特征

4.2 應(yīng)力場(chǎng)變化特征

重力壩底板大體積混凝土內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)變化情況,從混凝土澆筑結(jié)束20天后開始。根據(jù)施工安排,在混凝土澆筑完成后的10天內(nèi)保持冷水管繼續(xù)通水,分析時(shí)間至停止通水后10天后結(jié)束。根據(jù)上述原則,建立ANSYS數(shù)值計(jì)算模型,研究重力壩底板混凝土內(nèi)部應(yīng)力變化的情況。

不同冷水管布置條件下,底板混凝土內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1的應(yīng)力變化曲線見圖3。由圖3可知,JC1整個(gè)監(jiān)測(cè)過程均承受受壓作用,在20～25天時(shí)間內(nèi),壓力增加,之后壓力減小。這個(gè)變化過程主要是因?yàn)?0～25天范圍內(nèi),上部混凝土施工造成的。采用冷水管降溫后,混凝土內(nèi)部壓力較不通水情況顯著降低,表明混凝土內(nèi)部溫度有利于提升底板混凝土澆筑施工質(zhì)量。

圖3 JC1水平方向應(yīng)力變化趨勢(shì)

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

圖4 JC2水平方向應(yīng)力變化趨勢(shì)

JC2最大拉應(yīng)力變化趨勢(shì)見圖5。由圖5可知,當(dāng)冷水管布置間距過小時(shí),可導(dǎo)致混凝土表面承受較大的拉應(yīng)力,甚至超過混凝土材料的抗拉強(qiáng)度,對(duì)混凝土施工質(zhì)量不利。

圖5 JC2最大拉應(yīng)力變化趨勢(shì)

5 結(jié) 論

為了分析不同的冷水管布置間距對(duì)重力壩底板混凝土澆筑的影響,采用ANSYS軟件,建立溫度-應(yīng)力耦合分析計(jì)算模型。研究表明,采用冷水管通水可以降低混凝土內(nèi)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(shí),可導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。經(jīng)綜合考慮,采用1m的間距較為適宜。