水库大坝大体积混凝土施工温度控制分析

周 游

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司,贵阳 550002)

1 概 述

大体积混凝土施工温度控制情况对工程施工质量影响较大,当混凝土内部温度较高时,可能导致混凝土应力集中形成裂缝。因此,在工程实施过程中,需要结合实际情况,采用适宜的温度控制措施,从而保障混凝土施工质量。

根据已有研究可知,在工程实践中,经常采用布置冷水管方式进行混凝土施工温度控制[1-3]。在进行混凝土施工温度控制效果研究中,通常采用数值模拟分析方法。艾心荧等[4]采用有限元模拟和缩小物理模型试验,对大体积混凝土施工温度综合控制措施进行了分析,通过数值分析参数,指导工程实践,取得了良好的效果。孙文[5]结合某超高层项目基础大体积混凝土浇筑工程的实际情况,认为ANSYS计算数据比热工计算结果更准确。蒋林倪[6]结合长沙综合枢纽船闸闸首混凝土施工情况,采用数值模拟方法,对温度场进行了分析,通过与现场监测数据进行对比分析,数值分析结果较为可靠。

根据上述研究可知,数值模拟分析方法在大体积混凝土施工温度场研究中的计算精度较为可靠。因此,本文结合某重力坝底板大体积混凝土施工工程,采用数值分析方法,研究不同的冷水管布置情况对混凝土施工温度控制效果的影响。

2 混凝土温度计算原理

2.1 混凝土结构温度场

水泥水化热是导致混凝土施工过程中温度发生较大变化的主要原因。由于水化热释放是一个动态变化的过程,因此混凝土内部温度不是恒定不变的,是受水化热的影响而不断变化。为了计算简便,可将计算模型进行简化,认为混凝土内部存在一处热源,在热源不断释放热量的情况下,混凝土内部温度不断变化。混凝土内部应力场可满足下述条件:

(1)

式中:T、a、θ分别为混凝土温度、导热系数、绝热温升;τ为时间。

当采用冷水管方式控制混凝土施工温度时,热传导方程为:

(2)

式中:T0、θ0为混凝土初始温度和最终绝热温升;Tw为冷水温度;φ、ψ为与冷却效果有关的函数。

2.2 温度应力

由于混凝土内部的初始温度、最终温度不完全相同,两者之间存在温差,从而导致混凝土内部出现温度应力。当温度应力超过一定数值时,即超过混凝土抗拉强度后,将导致混凝土出现裂缝,对工程施工质量产生不利影响。

温度应力满足如下关系:

(3)

式中:Kp、R分别为应力松弛系数和约束系数;Ec、μ分别为混凝土弹性模量和泊松比;α、k分别为温度线膨胀系数和混凝土温升折减系数;Tf、B、c、ε0分别为水化热温升、温度应力系数、形变影响系数和初始应变。

3 数值模型建立及参数选取

3.1 模型建立

重力坝底板最厚部位2.1m,属于大体积混凝土。为了降低混凝土的内外温差,防止因温差过大而引起混凝土裂缝,确保大体积混凝土施工质量,应采取以下温控措施:

1)选用水化热低的水泥。

2)在满足混凝土强度、耐久性和和易性的前提下,改善混凝土骨料级配。

3)加优质粉煤灰及高效减水剂,以适当减少单位水泥用量。

4)在底板等大体积混凝土结构中通冷却水管,冷水管布置两层,分别在距离底板和顶板0.3m处,冷水管间距设置为2、1、0.5m。冷水管进水温度为10℃,管中水的流速控制在0.6m/s内,水流方向24h调换一次。冷水管布置方式见图1。

图1 冷水管布置示意图

5)加强成型混凝土覆盖保温、保湿养护,减小混凝土内外温度差,延长混凝土养护时间。

6)高温季节骨料场、浇筑仓面及拌和系统搭设遮阳棚防晒。

7)采取骨料堆喷洒地下水降温等措施,确保混凝土质量。

3.2 计算参数

目前,有较多的软件可以实现温度场-应力场耦合分析,均取得良好的效果。ANSYS软件作为其中最为常用的软件,具有建模简便,计算分析速度快等优势[7-9]。采用ANSYS软件分析混凝土施工温度控制效果的主要步骤如下:利用ANSYS软件,获取混凝土内部的热分析数据作为温度应力(荷载),对混凝土内部的应力情况进行模拟分析,从而获取温度控制效果。不同材料数值计算参数见表1。

表1 数值模拟计算参数取值

3.3 混凝土徐变计算

混凝土徐变的计算公式如下:

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为混凝土的徐变程度;t-τ为持荷时间;k、A、B、D、α为徐变拟合的参数。

混凝土徐变参数取值见表2。

表2 混凝土徐变各参数取值

4 混凝土施工温度计算结果分析

4.1 温度场变化情况分析

冷水管布置间距对重力坝底板混凝土施工温度控制效果影响较大,因此在坝底板混凝土内部及表面布置监测点,分析底板混凝土内部温度场、应力场变化情况。其中,JC1布置在底板混凝土内部;JC2布置于底板混凝土表面以下50mm的位置。冷水管从混凝土开始浇筑时通水,浇筑完成10天后停止通水。通水结束后,需要继续对底板混凝土内部温度场及应力场情况进行监测。

底板混凝土内部监测点JC1监测数据见图2。由图2可知,混凝土内部温度表现为先上升后下降的变化趋势。经对比,冷水管通水后混凝土内部温度上升速率较不通水情况有所减缓,温度下降速率较不通水情况有所增加,且混凝土内部最高温度亦低于不通水情况,表明采用冷水管通水后,才可以有效控制混凝土内部温度。当冷水管布置间距越小时,混凝土内部温度上升速率越慢,温度下降速率越大,最终温度也越低。当采用0.5m的间距布置冷水管时,将可能导致混凝土内部温度低于施工环境温度,此时混凝土表面可能出现拉张裂缝,影响混凝土最终施工质量。

图2 监测点JC1温度变化特征

4.2 应力场变化特征

重力坝底板大体积混凝土内部应力场变化情况,从混凝土浇筑结束20天后开始。根据施工安排,在混凝土浇筑完成后的10天内保持冷水管继续通水,分析时间至停止通水后10天后结束。根据上述原则,建立ANSYS数值计算模型,研究重力坝底板混凝土内部应力变化的情况。

不同冷水管布置条件下,底板混凝土内部监测点JC1的应力变化曲线见图3。由图3可知,JC1整个监测过程均承受受压作用,在20～25天时间内,压力增加,之后压力减小。这个变化过程主要是因为20～25天范围内,上部混凝土施工造成的。采用冷水管降温后,混凝土内部压力较不通水情况显著降低,表明混凝土内部温度有利于提升底板混凝土浇筑施工质量。

图3 JC1水平方向应力变化趋势

JC2平行水流方向的应力变化趋势见图4。由图4可知,JC2在整个研究期间均承受拉应力。其原因是混凝土内外温差较大,在温差影响下,混凝土表面承受拉应力。而且冷水管间距越小,拉应力越大。

图4 JC2水平方向应力变化趋势

JC2最大拉应力变化趋势见图5。由图5可知,当冷水管布置间距过小时,可导致混凝土表面承受较大的拉应力,甚至超过混凝土材料的抗拉强度,对混凝土施工质量不利。

图5 JC2最大拉应力变化趋势

5 结 论

为了分析不同的冷水管布置间距对重力坝底板混凝土浇筑的影响,采用ANSYS软件,建立温度-应力耦合分析计算模型。研究表明,采用冷水管通水可以降低混凝土内部温度,冷水管间距越小,温度降低越明显。但冷水管间距过小时,可导致混凝土表面出现较大的拉应力。经综合考虑,采用1m的间距较为适宜。