某水库闸墩分层浇筑时的温度应力及施工方案选择

杨 永

(新疆永嘉工程咨询有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

某水库闸墩分层浇筑时的温度应力及施工方案选择

杨 永

(新疆永嘉工程咨询有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

为了解混凝土结构在施工过程中的温度应力变化以及如何优化施工方案避免裂缝产生，采用ANSYS软件对闸墩分层浇筑时的温度应力进行了数值模拟分析，结果表明：优化后的施工方案在各层浇筑后的侧面和上表面的最大温度应力均小于原施工方案，且优化方案的施工工期较短。选择优化方案为工程的施工方案。

闸墩；分层浇筑；温度应力

随着水工结构设计和施工技术的发展，我国建成了很多薄壁结构的水工建筑物，如渡槽、闸墩、闸底板等，它们均具有两维尺寸比另一维尺寸大的多的特点。由于混凝土水化热、湿度等的影响，加之此类结构施工较复杂，造成建筑物在施工期及运行期出现裂缝等问题[1-3]，严重影响结构的整体性和工程效益的发挥，还带来一定的潜在隐患。混凝土裂缝的防治是关系到工程是否安全和效益能否发挥的重要制约因素。经过国内外学者的大量研究，混凝土裂缝大多是由于温度差异而导致的，对于混凝土结构，尤其是薄壁水工结构施工过程中混凝土温度应力如何变化是一个难点[4-5]。如何了解混凝土结构在施工过程中的温度应力变化以及如何优化施工方案避免裂缝产生是工程建设必须要解决的问题。本文以某水库溢洪道泄洪闸改造工程为例，采用ANSYS软件对闸墩分层浇筑时的温度应力进行了数值模拟分析，根据分析结果，选择了最佳的施工方案，为今后类似的水库泄洪闸、渡槽等工程提供借鉴。

1 分层浇筑混凝土温度场计算理论

根据能量守恒原理和热传导定律，分层或跳仓浇筑的大体积混凝土的热传导方程的最终形式为：

(1)

式中：c为混凝土的比热；λ为混凝土的导热系数；ρ为混凝土密度；T为时间；τ为混凝土的龄期；θi为绝热温升。

公式(1)不能直接得到定解，为了定量的求出结果，需要给式(1)的方程设定初始条件及边界条件，混凝土的初始条件是指混凝土浇筑时的浇筑温度，一般认为是常数，T(x,y,z,0)=T0=浇筑温度。

在热力学分析中共有四类边界条件，根据实际工程中闸墩浇筑时与空气接触，且外界气温是变化的情况，本次模拟选择第三类边界条件。第三类边界条件是指流过混凝土表面的热流量和空气与混凝土的温差成正比，按下式计算：

(2)

式中：Ti,t为t时刻第i层混凝土的浇筑温度，Tf为环境温度；n为混凝土外表面的外法线方向；β为表面放热系数。

先后浇筑的混凝土间的接触面边界为第四类边界条件，按下式计算：

(3)

式中：Ti+1,t+Δti为t+Δti时刻第i+1层混凝土的浇筑温度，其他参数同上式。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

某水库泄洪闸改造工程共有6座闸墩，采用分层浇筑，闸墩长23 m、宽2.5 m、高18 m，采用C25钢筋混凝土结构。以4JHJ墩为例，第一层浇筑高度7.5 m，浇筑时间3月10日，浇筑温度17 ℃；第二层浇筑高度4.0 m，浇筑时间3月23日，浇筑温度8 ℃；第三层浇筑高度6.5 m，浇筑时间4月20日，浇筑温度21 ℃。采用ANSYS软件进行模拟分析时，需考虑基岩对闸墩温度的影响，本次闸墩下基岩在下方和前后左右方向各取2倍的闸墩宽度。基岩四周边界设定为绝热边界，混凝土外表面设定为第三类边界条件。模拟时采用六面体单元进行网格划分，热分析采用SOLID70单元，应力分析时采用SOLID45单元。

2.2 计算参数

C25混凝土的绝热温升按下式计算：

θ(τ)=36.8×(1-e-0.351τ)

(4)

式中：τ为龄期。

闸墩C25混凝土配合比及各材料的热力学参数见表1。

表1 混凝土配合比及各材料参数

根据表1中各材料的导热参数、密度、比热经加权平均得到混凝土的相应参数如下：混凝土的导热系数为275.6 kJ/(m·d·℃)，密度为2411.7 kg/m3，比热为0.91 kJ/(kg·℃)，根据实际工作经验，混凝土的放热系数为1513 kJ/(m2·d·℃)。基岩的导热系数为296.4 kJ/(m·d·℃)，密度为2600 kg/m3，比热为0.92 kJ/(kg·℃)，放热系数1513 kJ/(m2·d·℃)。

根据地质资料，基岩的弹性模量为1 GPa。混凝土的弹性模量按下式计算：

(5)

式中：τ为龄期；E0为90 d龄期的混凝土的弹性模量，取值为2.78×104MPa；E(τ)为龄期τ时的混凝土弹性模量，A=0.4，b=0.34。

混凝土28 d龄期的抗拉强度按下式计算：

Rt(τ)=0.232{3.52×1011[1+0.1727ln(τ/28)]}2/3

(6)

式中：τ为龄期。

3 不同施工方案的计算结果及分析

3.1 原施工方案

根据原施工方案，闸墩分三层共三期浇筑，第一层与第二层浇筑时间间隔13 d，第二层与第三层浇筑时间间隔28 d，浇筑时间在3、4月，温度比较稳定，环境温度采用实际温度，由于闸墩顺水流向尺寸远大于闸墩的横向尺寸，易产生顺水流方向的拉应力，引起混凝土开裂，应重点模拟顺水流方向的应力变化。各层混凝土按原施工方案浇筑时闸墩侧面的温度应力变化如图1所示。

图1 原浇筑方案闸墩侧面的温度应力

由图1可知：在浇筑第二层混凝土后的第13天(即第一层浇筑后的第26天)时，一层和二层混凝土的温度应力均达到了最大值，一层的温度应力为2.23 MPa，二层的温度应力为2.50 MPa，原因是浇筑二层混凝土时，一层与两层接触面中心点温度达到23 ℃，一层内部中心点温度更高达30 ℃，两者均大于二层混凝土的浇筑温度8 ℃，产生了比较大的温差和应力。浇筑第三层混凝土后的第10天(即第一层浇筑后的第51天)时，第三层的温度应力达到了最大值，为2.45 MPa，原因是在浇筑三层混凝土前，时间间隔了28 d，保证了前两层混凝土能充分的散热，但前面浇筑的混凝土对第三层混凝土的变形产生了限制作用，使得第三层混凝土内部仍然存在较大的温度应力。

3.2 优化后的施工方案

根据单独浇筑不同层混凝土时温度应力变化曲线(图2)，经分析得出：后期混凝土的浇筑，可使前期混凝土外表面产生的温差引起的拉应力减小，因此可以选择在前期混凝土出现最大拉应力时浇筑下期混凝土，同时为减小不同时间浇筑混凝土间的温差，选取前期混凝土内部中心点的温度作为下期混凝土的浇筑温度。第二层的浇筑时间为第一层浇筑后的第13天，浇筑温度为30 ℃，第三层的浇筑时间为第一层浇筑后的第25天，浇筑温度为32 ℃。单独浇筑混凝土时温度应力变化曲线见图2。

图2 单独浇筑混凝土时侧面温度应力变化曲线

根据优化后的施工方案，进行数值模拟，得出了浇筑二层混凝土后一层混凝土的侧面温度应力的变化曲线和浇筑三层混凝土后二层混凝土的侧面、上表面温度应力以及三层混凝土侧面、上表面的温度应力，如图3所示。

图3 混凝土温度应力变化曲线

由图3可以看出：在第一层混凝土浇筑后的第13天浇筑第二层混凝土时，闸墩第一层混凝土的侧面温度应力由浇筑前的1.82 MPa降到了1.24 MPa，随后随着水化热的产生，在第17天达到峰值1.87 MPa，仍小于同期混凝土抗拉强度2.18 MPa(该值由抗拉试验得到)；在第一层混凝土浇筑后的第25天浇筑第三层混凝土时，闸墩第二层混凝土的侧面温度应力由浇筑前的1.87 MPa降到了1.19 MPa，后期随着水化热的产生，侧面和表面温度应力有所增加，也仍小于同期混凝土抗拉强度2.18 MPa；三层混凝土侧面温度应力在第35天达到峰值，为1.91 MPa，也仍小于同期混凝土抗拉强度2.18 MPa，满足结构要求。

4 结 论

通过对原施工方案和优化施工方案采用ANSYS软件热力学单元进行数值模拟计算，结果表明：优化后的施工方案在各层浇筑后的侧面和上表面的最大温度应力均小于原施工方案，且优化方案的施工工期较短，浇筑总间隔为24 d，第50天时闸墩温度应力达到稳定，而原施工方案工期较长，总间隔为42 d，且在第60天时闸墩温度应力才能稳定，综上所述，选择优化方案为本工程的施工方案。

[1] 冯志密,刘光伟,李秀梅. 浅谈水闸主体结构的混凝土施工方法[J]. 水利天地,2014(4):45.

[2] 何旭东. 水闸闸墩牛腿加固及混凝土防碳化处理[J]. 水利天地,2006(6):32-33.

[3] 黄维民,宋玉田,韩仲恺,等. 闸墩温度应力与开裂关系的研究[J]. 水利与建筑工程学报,2009,7(3):8-10,13.

[4] 凌志飞,王振红. 某水闸裂缝机理和温控防裂措施研究[J]. 人民黄河,2014, 36(1):138-140.

[5] 由国文,郭磊,陈守开. 寒潮作用下大型水闸施工期温控防裂仿真分析[J]. 水利水电科技进展,2015,35(3):71-74.

Temperature stress and selection of construction scheme for pier pouring in layers of a reservoir

YANG Yong

(XinjiangYongjiaEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Urumqi830000,China)

In order to understand the temperature stress change of the concrete structure in the construction process and how to optimize the construction scheme to avoid cracks, the numerical simulation and analysis was carried for the temperature stress of pier pouring in layers using the ANSYS software. The results show that the maximum temperature stress on the side and upper surface of each pouring layer in the optimized construction scheme is less than that in the original construction scheme, and the optimization scheme has a shorter construction period. To sum up, the selection of the construction scheme is optimized scheme.

pier; pouring in layers; temperature stress

杨 永(1970-)，女，四川宜宾人，工程师，从事水利工程施工管理工作。E-mail:3155717674@qq.com。

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