循环冻融环境条件下河道堤防混凝土应力分布特征计算研究

刘 建，陈 鑫

(辽宁天阳工程技术咨询服务有限公司，辽宁 沈阳 110001)

在北方地区，冬季气温较低，而循环冻融条件下混凝土的应力受力影响不同，而对循环冻融条件的混凝土的应力变化进行分布特征的分析，有助于河道堤防的稳定性设计。当前，国内许多水利工程学者对循环冻融环境下的混凝土进行了应力分析的研究[1- 6]，但这些研究大都采用物理模型试验的方式进行循环冻融环境下的混凝土应力分析，而采用理论计算模型的进行原型观测试验的研究较少。近些年来，理论计算模型逐步在许多冻融环境条件下的钢筋应力分析中得到验证和应用[7- 9]，但是在河道堤防应用还较少，特别是在辽宁地区，还未进行相关应用，为此本文以辽宁中部某河道堤防为研究工程实例，结合理论计算模型分析循环冻融环境条件下河道堤防混凝土的应力分布特征。研究成果对于北方河道堤防混凝土在循环冻融环境下的应力变化特征计算提供方法参考。

1 理论计算模型原理

循环冻融环境条件下，河道堤防混凝土所受到应力分别为径向方向和切向方向上的应力，计算方程分别为：

(1)

(2)

式中，pj—循环冻融环境下的混凝土横向挤压力，kN；Aj—挤压面积区域，m2；Ac—混凝土咬合处挤压受力面积，m2；γ—循环冻融环境下与混凝土斜缝位置的转角，(°)。

其中混凝土咬合处挤压受力面积计算方程为：

AC=π(d′+6h)lsinβ

(3)

式中，d′—混凝土基础柱体的直径，m；l—混凝土横向之间的距离，m；β—斜列顶缝的夹角，(°)。

理论计算模型对循环冻融环境条件下的混凝土横向挤压力计算pt进行计算，计算方程为：

(4)

式中，pt—混凝土横向推力，kN；a—转角参数。

模型采用以下方程对转角和斜列顶缝的夹角进行确定，确定方程为：

(5)

(6)

式中，fcu—混凝土的抗压强度，kN；fcu′—冻融作用后的混凝土刚混强度，kN)；φ—混凝土刚面的夹角，(°)。

循环冻融环境条件下河道堤防强度破坏的计算准则为：

(7)

式中，fc—轴心强度折减参数；k1～k4—计算参数；J2—应力。

2 工程实例应用

2.1 工程概况及参数设置

本文以辽宁中部某设计河道堤防为工程实例，对其冬季循环冻融条件下混凝土应力分布进行特征分析，该河道堤防主体为混凝土钢筋结构，其土类的主要特征参数见表1。本文结合河道堤防混凝土特征参数，对循环冻融环境条件下的河道堤防混凝土的应力分布特征进行分析。

表1 河道设计堤防混凝土类主要参数

2.2 冻融条件下的河道堤防钢筋应力精度分析

为对理论计算模型进行验证，结合原位观测试验，分析不同冻融次数下各直径下的河道堤防混凝土应力计算精度，分析结果见表2。

表2 循环冻融条件下河道堤防混凝土应力精度分析结果

图1 循环冻融环境下不同直径应力精度相关分析

从表2中可以看出，随着直径D和冻融次数的增加，设计河道堤防混凝土的应力值逐步增加，其增加幅度较大。这主要是因为当混凝土受力面直径增大，其应力有所增加。而当循环冻融次数从20～30次后，各直径D下的混凝土应力趋于稳定，这主要是因为随着冻融次数的增加，设计河道堤防摩擦应力逐步减小，使得其受力面的应力逐步趋于稳定。从图1中可以看出，在D=20cm下，试验测定的应力和计算应力相关系数为0.6543，而当D=40cm下，试验测定的应力和计算应力相关系数为0.6728，其相关性呈现指数相关，且随着D的增加，其相关性增加，理论计算模型精度越高。

2.3 不同冻融次数下的河道堤防混凝土应力分布特征试验分析

在理论计算模型验证的基础上，对不同冻融次数下河道堤防混凝土的应力分布特征进行了试验分析，试验分析结果见表3和图2。

从表3中可以看出，随着冻融次数的增加，各深度下的应力逐步增加，且逐步从由加载端(10cm)向自由端变动(20cm)变动，且当冻融次数从20～30次后，其各深度下的应力分布区域稳定。可见冻融次数在20～30次后，设计河道堤防的混凝土的应力逐步增加，当达到一定程度后，达到最大的抗剪应力强度，河道堤防混凝土的应力逐步区域稳定结构。从图2中可以看出，随着循环冻融次数的增加，其混凝土不同类型土地应力分布呈较为复杂的S形分布，这主要是因为随着循环冻融次数的增加，设计河道堤防的粘聚力也逐步减少，而随着循环冻融次数的逐渐增加，当增加到20～30次后，设计河道堤防混凝土的含水量也逐步减少，使得黏聚力和内摩擦角逐渐下降至稳定的状态，为此从图2中可以看出，当循环冻融次数增加后，其黏聚力和内摩擦角都逐步区域平衡状态，有利于河道堤防的设计稳定性。

表3 不同冻融次数下的河道堤防混凝土应力试验结果

图2 不同循环冻融次数下河道堤防混凝土应力分布试验分析结果

3 结语

本文结合理论计算模型对辽宁中部某设计河道堤防混凝土的应力分布特征进行计算试验分析，分析取得以下结论：

(1)理论计算模型可用来分析北方地区循环冻融环境条件下的河道应力分布情况，随着冻融试验次数增加，其计算精度逐步提高。

(2)通过计算发现，随着冻融次数增加，河道堤防混凝土应力趋于稳定，可通过分析计算确定设计河道堤防冻融上限和范围，从而提高设计河道堤防的稳定性。

[1] 李伯潇. 冻融环境下钢筋与粉煤灰混凝土的黏结性能研究[D]. 内蒙古科技大学, 2014.

[2] 孙俊峰. 浅淡引气剂在抗冻混凝土中的应用[J]. 水利技术监督, 2017(02): 59- 60+67.

[3] 于琦, 牛荻涛, 元成方, 等. 冻融环境下混凝土碳化深度的试验研究[J]. 硅酸盐通报, 2012(04): 979- 983.

[4] 陈雯龙. 新疆混凝土防渗渠道冻胀破坏成因分析及防冻胀措施[J]. 水利技术监督, 2011(03): 45- 47+55.

[5] 肖前慧, 牛荻涛, 朱文凭. 冻融环境下混凝土强度衰减模型与耐久性寿命预测[J]. 建筑结构, 2011(S2): 203- 207.

[6] 李胜, 孙保沭, 王海龙. 大体积混凝土温度裂缝与防治[J]. 水利技术监督, 2005(02): 76- 78.

[7] 田威, 邢凯, 谢永利. 冻融环境下混凝土损伤劣化机制的力学试验研究[J]. 实验力学, 2015(03): 299- 304.

[8] 段安, 钱稼茹. 冻融环境下约束混凝土应力-应变全曲线试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010(S1): 3015- 3022.

[9] 肖前慧, 牛荻涛, 赵阳, 等. 冻融环境下引气混凝土力学性能研究[J]. 混凝土, 2009(06): 10- 11.