节制闸中墩混凝土应力场对温度变化的敏感性分析

汪伦焰, 秦朝莹, 毛颢淳, 陈守开, 李慧敏

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.河南省水环境治理与生态修复院士工作站,河南 郑州 450002;3.河海大学,江苏 南京 210098)

节制闸中墩混凝土应力场对温度变化的敏感性分析

汪伦焰1,2, 秦朝莹1,2, 毛颢淳1,3, 陈守开1,2, 李慧敏1,2

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.河南省水环境治理与生态修复院士工作站,河南 郑州 450002;3.河海大学,江苏 南京 210098)

针对节制闸混凝土结构在施工期容易产生裂缝这一问题,将节制闸中墩混凝土作为研究对象,根据混凝土结构内温度、材料特性以及边界条件的变化,对其施工期温度应力场进行了三维仿真模拟计算,分析了施工期由内外温度差引起的混凝土结构应力变化的特征与规律。结果表明:施工期,由于混凝土结构内外温差比较大,在热胀冷缩的作用下,易出现拉应力随着温差的增大而逐渐增大,从而引起节制闸中墩混凝土结构开裂,破坏其耐久性,产生安全隐患,导致工程质量问题。因此,为确保施工期混凝土的抗裂安全性,应采取相应的温控防裂措施。

节制闸;中墩;温度场;应力场;敏感性分析;ANSYS

混凝土是最主要的建筑材料之一,在施工期间易出现开裂问题,影响结构的美观,严重的还会影响结构的正常使用，产生工程质量问题,甚至影响人们的人身安全和财产安全[1-3]。

针对混凝土的裂缝问题,国内外已有众多方面的研究。Enrique MIRAMBELL和Antonio AGUADO根据材料力学性质和环境因素,对箱型梁大桥的温度场、应力场进行了预测[4];Mats EMBORG和Stig BEMANDER采用实验方法研究了混凝土的早期热应力与热裂缝[5]。国内许多学者也对混凝土早期的热学、力学性能进行了研究,并取得了初步成果[6-10]。混凝土的温度场与应力场,可以通过数值模拟,反映出混凝土的传热过程和应力变化情况[11-18]。由温度产生混凝土裂缝的问题,早期采用经验公式计算混凝土的中心最高温度以及表面温度,但不能反映出混凝土的内部温度变化情况及混凝土各处的温度应力分布情况。而利用有限元软件ANSYS对混凝土结构进行三维建模分析[19-22],可得出不同工况下温度场和应力场的变化情况,进而分析产生结构裂缝的可能性。

本文以某节制闸(C25混凝土)工程为研究背景,基于稳态热分析理论,用ANSYS软件模拟并详细分析施工期节制闸中墩的混凝土应力场对温度变化的敏感性,确定在不同工况下中墩内温度对应力的影响程度和特点,为工程实施提供理论参考依据,做好防裂措施及优化问题。

1 计算原理

1.1 温度场计算原理

在节制闸的施工期,混凝土结构内的水泥因水化热的作用而放出大量的热量,导致结构内外温差大,引起温度场的急剧变化。根据热传导理论,假设结构混凝土为均质各向同性的,则热传导方程[23]可表征为:

(1)

式中:a为混凝土的导温系数,m2/h;T为混凝土的温度,℃;τ为混凝土的龄期,d;θ为混凝土的绝热温升,℃；(x,y,z)为空间位置变量。

(2)

1.2 应力场计算原理

混凝土结构由于温度变化导致其结构变形,从而产生约束应力。假定混凝土材料为均质的、连续的,可先求出结构的温度场,然后根据弹性理论求出混凝土结构各部分的热应力。而混凝土的弹性模量是随着龄期变化的，因此,采用增量法进行混凝土温度应力场的计算[24],公式如下:

(3)

式中:α为混凝土的线膨胀系数,10-6/℃;E为混凝土的弹性模量,MPa;T为混凝土的温度,℃;μ为泊松比;K为应力松弛系数。

2 仿真模型的计算条件

2.1 工程概况

选取某节制闸,单孔净宽10 m,闸孔总净宽70 m,闸室长20 m,闸室底板高程61.84 m,厚2.0 m(齿墙厚3.0 m),闸顶高程71.90 m。共7孔,闸室共分5联,边孔和中间孔各为一联,其他两孔各为一联,相邻两联之间设缝墩。中墩和缝墩厚均为2.3 m,总宽度为83.8 m;边墩采用直墙结构,厚1.15 m。闸室采用C25钢筋混凝土结构。根据相关工程经验,混凝土热学性能和力学性能的参数分别见表1和表2。地基材料参数见表3。

表1 混凝土的热学性能参数

表2 混凝土的力学性能

表3 地基的材料参数

2.2 有限元建模

采用ANSYS软件对节制闸进行有限元模拟仿真,并进行热-应力耦合分析，即热单元和应力单元的耦合分析。选取结构单元(Solid45)和热单元(Solid70),根据节制闸工程的结构形状和尺寸参数建立三维仿真计算模型,如图1所示,并将节制闸结构断面和地基进行网格划分,共划分单元数15 643个,节点16 523个。

图1 节制闸三维仿真计算模型

该单元为三维八节点六面体单元。假定节制闸混凝土材料是均质各向同性的;不考虑日照、风速等对混凝土表面放热的影响,模型各个点的放热率相同;地基的温度恒定不变;其边界条件为经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度T与气温Ta之差成正比。

2.3 设定工况

本研究选定节制闸中墩混凝土结构的稳定温度为30 ℃,地基结构的稳定温度为20 ℃,结合当地的气温资料,选取不同的边界温度,设定3种工况。对比工况:水化热时混凝土结构达40 ℃。具体工况设定见表4,所有工况下缝墩外侧面均绝热。

表4 工况设定 ℃

3 结构分析

3.1 应力场分析

由C25混凝土的强度等级可知,混凝土结构的抗压强度为25 MPa。一般情况下,混凝土的抗拉强度只有抗压强度的1/10～1/20,即约为1.25～2.50 MPa。节制闸中墩在4种工况下的应力分布如图2所示,图中正值表示拉应力,负值表示压应力,单位为Pa。

图2 节制闸中墩的应力图(单位:Pa)

由图2可知,最大拉应力都集中在中墩底面附近;而最大压应力集中在中墩顶部的两端圆弧段附近;随着温度差越来越小,其压应力、拉应力也越来越小;最大压应力远小于混凝土的抗压强度25 MPa,一般不会出现受压破坏。前3种工况下,最大拉应力小于C25混凝土的抗拉强度,即中墩在本研究假定的各种工况下不会因出现裂缝而破坏。而工况4中最大压应力为0.04 MPa,远小于混凝土的抗压强度。最大拉应力为1.40 MPa,大于C25混凝土的抗拉强度,即中墩在工况4下不会发生受压破坏,但会因出现裂缝而发生受拉破坏。

3.2 特征点的选取与应力分析

设节制闸底板的上表面为Z=0.00 m处,本研究所取4个特征点位于中墩Z=5.03 m处的横截面上,分别为中墩圆弧段最下面T1、圆弧中心T2、中墩截面中间T3以及圆弧段左侧边缘T4,具体位置如图3所示。

在4种工况下,各特征点的应力大小如图4所示,正值表示拉应力,负值表示压应力,单位为MPa。由图4可知:当节制闸中墩混凝土结构和地基的温度不变,即对比工况1和工况3,中墩Z=5.03 m处的横截面特征点处应力值随着外界温度的增加而减小,即温差越小应力值越小;当外界和地基的温度不变时,即对比工况2和工况4,中墩Z=5.03 m处的横截面特征点处应力值随着外界温度的增加而增大,即温差越小应力值越小。观察各个工况可发现其共同点:特征点T1和T4处存在拉应力,特征点T2和T3处存在压应力。由此可知,温度的变化使得混凝土从内部向外部是由产生压应力到产生拉应力逐渐过渡的。

图3 特征点选取图

图4 中墩Z=5.03 m处横截面上各特征点的应力折线图

从各种工况知,内外温差较大,最大拉应力均发生在表面,混凝土表面开裂风险较大,但只要应力值小于允许抗拉强度,中墩则不会开裂。因此,施工期应尽量避免夏季高温和冬季低温施工,以降低混凝土开裂的风险。若不可避免,需要采取一些温控措施,例如:表面保温、水管冷却、调整混凝土配合比和浇筑厚度等,应对实际情况具体分析,采用合理的方法解决。

4 结语

本文结合当地气温资料、稳态温度场和应力场计算理论,利用ANSYS软件分析节制闸中墩混凝土应力场对温度变化的敏感性,得出如下结论:

1)压应力主要集中在节制闸中墩混凝土的上表面,且最大压应力远小于混凝土的抗压强度,不会出现受压破坏,即混凝土结构有较强的抗压特性。

2)节制闸中墩混凝土的最大拉应力集中在下表面,随着混凝土内外温差的增大,拉应力也逐渐增大。结构在工况4下,最大拉应力大于混凝土的抗拉强度,会产生温度裂缝。因此,节制闸中墩混凝土对内外温差的敏感性比较强。

3)内部温度是导致开裂的主要因素,一般是由绝热温升引起的,故施工期可以通过混凝土配合比降低混凝土水化热的温度，以减少裂缝的产生。在实际工程中，对于混凝土温度,需要考虑的影响因素众多,包括力学性能、外部复杂环境以及外掺材料等。

4)本文基于弹性力学理论计算应力场问题,假定结构属于理想的弹性体。对于非理想状态下的结构，还需更深入地研究相关理论、结合长期实验及工程经验进行研究。

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SensitivityAnalysisontheEffectofTemperatureontheStressFieldofMiddlePierConcreteofCheckGate

WANG Lunyan1,2, QIN Chaoying1,2, MAO Haochun1,3, CHEN Shoukai1,2, LI Huimin1,2

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China; 2.Water Environment Governance and Ecological Restoration Academician Workstation of Henan Province, Zhengzhou 450002,China; 3.Hohai University, Nanjing 210098, China)

Aiming at the problem that concrete would have cracked easily during construction, taking the middle pier concrete of check gate as the research object, simulating the temperature-stress field in construction period by the three-dimensional simulation model, according to variation characteristics of temperature, materials and boundary conditions, it demonstrated that how the temperature difference between internal and external concrete had made the stress field vary during construction. The result showed that due to the large temperature difference between internal and external concrete during construction and the effect of heat expansion and cold contraction, it was easy to make the tensile stress appear and increase which could result in cracks of the middle pier concrete of check gate structure. It also could destroy durability of projects, cause hidden danger and compromise the quality of construction. Therefore, the corresponding temperature control measures which can prevent cracks should have been taken during construction to ensure the safety.

check gate; middle pier; temperature field; stress field; sensitivity analysis; ANSYS

陈海涛)

TV315

A

1002-5634(2017)06-0049-05

2017-08-21

国家自然科学基金项目(51309101)。

汪伦焰(1968—),男,安徽六安人,教授,博士,从事水利工程建设与管理方面的研究。E-mail:5shelly@sina.com。

秦朝莹(1991—),女,河南焦作人,硕士研究生,从事水利工程方面的研究。E-mail:294466282@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.007