混凝土强度等级和类型对地下厂房岩锚梁混凝土温控的影响.pdf

水 力 发 电 第4 1 卷第 8期 2 0 1 5年 8月 混 凝 土 强 度 等 级 和 粪 型 对 地 下 厂 房 岩 锚 粱 混 疑 土 温 控 的 霉 乏 晌 雷文娟 ，石 陈妮子 ，黎佛林 ( 南 昌工 学院建筑工程 学院 ，江西南 昌3 3 0 1 0 8 ) 摘要：利用有 限元 法 ，对某水 电站地下 厂房岩锚梁 进行 三维有限元仿真计算 。通 过 比较岩锚 梁 中间断面代表点 的 最高温度、早期最 大拉应 力、最小抗裂安全 系数 等 ，分析不同混凝土强度等级和类 型对岩锚 梁混凝土 温度 场与温度 应力场的影响规律。研究结果表明，混凝土强度等级越高 ，岩锚梁混凝土的最高温度、最大内表温差、最大拉应力 值越大 ，最小抗裂安全 系数越小 ；相对 于常态混凝 土 ，泵送混凝 土各特征值均偏 向于不利 ，温 控防裂措施 要求更加 严 格 。 关键词 ：地 下厂 房 ；岩锚梁 ；有 限元法 ；温度应力 ；温控 防裂 I nflue nc e s of Co nc r e t e St re ngt h Gr ad e a nd Ty pe o n Te mpe r a t ur e Cont r ol of Roc k a nc ho r e d Be am Conc r e t e L E I We n j u a n ，S HI — C HEN Ni z i ，L I F o l i n ( C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，Na n c h a n g E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ，N a n c h a n g 3 3 01 0 8 ，J i a n g x i ，C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e t hr ee -- d i me n s i o na l fin i t e e l e me n t s i mu l a t i o ns a r e c a r r i e d o u t o n r o c k-- a n c h o r e d c r a n e be a m i n a n u n de r g r o un d po we r h o us e o f hy d r o p o we r s t a t i o n b y u s i n g f i n i t e e l e me nt me t h o d．By c o mp a r i ng t h e ma x i mum t e mpe r a t u r e ，t h e ma x i mu m e a r l y t e ns i l e s t r e s s a n d t he s ma l l e s t c r a c k s a f e t y f a c t o r o f mi dd l e po i n t i n r e pr e s e n t e d c r o s s — s e c t i o n o f t h e b e a m， t h e i n flue nc e s o n c o n c r e t e t e mp e r a t u r e a n d s t r e s s f i e l ds b y t he c h a n g e s o f c o n c r e t e s t r e n g t h g r a d e a nd t yp e a r e a n a l y z e d．The r e s u l t s s h o w t h a t ， ( a )i f t h e c o n c r e t e s t r e n g t h g e t s g r e a t e r ，t h e ma x i mu m t e mp e r a t u r e ，ma x i mu m i n t e r n a l t e mp e r a t u r e d i ff e r e n c e a n d t h e ma x i mu m t e n s i l e s t r e s s o f r o c k — a n c h o r e d c r a n e b e a m c o n c r e t e wi l l g e t g r e a t e r ，b u t t h e mi n i mu m s a f e t y f a c t o r wi l l b e s ma l l e r ；a n d( b ) c o mpa r i n g t o n o r ma l c o n c r e t e ， t h e c ha r a c t e r i s t i c v a l ue s o f p u mp i n g c o n c r e t e t r e n d t o d i s a d v a nt a g e ， S O mo r e s t r i c t t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s ur e s a r e r e q ui r e d． Ke y W o r ds ： u nd e r g r o u nd p o we r ho u s e； r o c k — a n c ho r e d c r a n e b e a m； f i n i t e e l e me n t me t ho d ； t e mpe r a t u r e s t r e s s f i e l d； t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k i n g p r e v e n t i o n 中图分类号 ：T V 3 1 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：0 5 5 9 — 9 3 4 2 ( 2 0 1 5 ) 0 8 — 0 0 2 6 — 0 4 0 引 言 岩锚 梁也 称 作 岩 壁 吊车 梁 ，是 利 用 锚 杆 和 岩 壁 台座 把混 凝 土梁 体 牢 牢 地 锚 固在 岩 壁 上 的 结 构 ，通 过梁 与 岩石接 触 面 上 的摩 擦 和锚 杆 将 吊车 的全 部 荷 载传 递 到 岩体 上 ⋯ 。岩锚 梁 的施 工 段 长度 较 长 ，有 时 长 达 十 几 米 ，属 于 大 体 积 混 凝 土 ，且 受 到 洞 室 岩 壁 较 大 的 变 形 约 束 ，防 裂 难 度 很 大 。 引 起 岩 锚 梁 混 凝 土产 生裂缝 的原 因主 要 包 括 ：水 泥 水 化 热 引 起 的 温度 应力 和 温差 变 形 、混 凝 土 收缩 变 形 和 内外 约 束 条件 的影 响等 。 国 内外 学 者 针 对 混 凝 土 的绝 热 温 l 盈W a P o ⋯ V o L ， №8 升 、热 膨 胀 系 数 、 表 面 放 热 系 数 、 弹 性 模 量 进 行 的 大量试验 研 究 和理 论 分 析工 作 表 明 ，不 同 的混 凝 土强度等级和类 型有着 不 同的热 力学 参数 。 因此 ，进 行 不 同 混 凝 土 强 度 等 级 和类 型 的 岩 锚 梁 混 凝 土 仿 真 计 算 ，分析不 同混凝土强度 等级 与类 型 的温度 场与 温度 应 力场 的变化 规律 ，对 温控 防裂 的影 响很 有必要 。本 文 依 托 某 水 电 站 岩 锚 梁 工 程 ，选 取 岩 锚 梁 典 型 施 工 收 稿 日期 ：2 0 1 5 - 0 3 - 2 4 作者简 介 ：雷 文娟 ( 1 9 8 8 一) ，女 ，湖 北 仙桃 人 ，讲 师 ，硕 士 主要从事水利水 电工程大坝安全监测工作 ；黎佛林( 通讯作 者) ． 由X焖’寸：， E 匕 上强I ．S z ． 哥与 D ‘ 个U夫 l 、J J 方 白 r禾， 比 觥上／ t m任廿 髟U l u j 段 ，从 温控 防 裂 方 面 考虑 ，进 行 不 同混 凝 土强 度 等级 和类 型 的三维 不稳定温 度应力场 的仿真计算 。 1 有限元计算模型 与条件 1 ． 1 计 算模 型 一 般 情 况下 ，岩 锚梁 的浇 筑 长度 都 在 8～1 5 m。 因此 ，在 计算 模 型 中 ，结 构 长度 选 取 1 0 n l ，周 围岩 体厚 度 取 1 0 IT I 。岩 锚 梁 梁 体 断 面 结 构 见 图 1 ，计 算 网格 模 型见 图 2。模 型 坐标轴 方 向 ：Z 向为沿 岩锚 梁 轴线 方 向 ， 向 为 水 平 方 向 ，y向为 竖 直 方 向 ，原 点在 计算 模 型 的 中间截面 交 线 上 。在 典 型断 面 Z=0 m 上 选 取 9个 应 力 计 算 代 表 点 ： 表 面 点 、 中 间 点 及 围岩点 分别 3个 。模 型 中 的结 构 均 采 用 空 间 8结 点 等参 单 元 ，共有 6 6 7 8个 单元 。 图 1 岩锚梁断面结构 ( 单位 ：m) 图 2岩锚梁三维有限元网格模型 1 ． 2 计 算方 案 岩 锚梁 混 凝 土 浇 筑 时 一 般 采 用 胎 带 机 人 仓 ，但 在某 些 特殊 状 况 下 ，泵 送 入 仓 为 备 用 手 段 。一 般 胎 带 机人 仓所 用 混 凝 土 为 常 态 混 凝 土 ，而泵 送 入 仓 采 用 泵送 混 凝土 。常 态 混 凝 土 与 泵 送 混 凝 土 为 2种 不 同 混 凝 土 类 型 。 通 过 计 算 ，模 拟 施 工 现 场 夏 季 施 工 的状 况 ，分 4种 工 况 进 行 计 算 分 析 ：工 况 1为 C 2 5 泵 送 ( C 2 5 b s )、工 况 2为 C 3 0泵 送 ( C 3 0 b s ) 、 工 况 3 为 C 3 5泵 送 ( C 3 5 b s )、工 况 4 为 C 3 0 现 浇 ( C 3 0 c t ) 。 浇筑 温度 均为 2 7℃ 。 1 ． 3 计算 参数 1 ． 3 ． 1 环境温度 环境 温度 主要 包 括 气 温 、水 温 和地 温 。气 温 主 要 包 括年 平均 气 温 和 年 气 温 变 幅 ，地 温 即为 围岩 温 度 ，施 工 期 水 温 可 以 忽 略 不 计 。 模 拟 气 温 年 周 期 变 化 时 ，采 用余 弦 函数 曲线 ， ，一 = A +Bc o s [ ( 一c) ] ( 1 ) 式 中 ， 为 环 境 气 温 ；A为 多 年 平 均气 温 ；B 为 气 温年 变 幅 ；C为最 高气温 的时 间 ；t 为 计算 时 间 。根 据 当 地 气 温 资 料 与 实 测 资 料 ，本 文 取 A=2 5，B = 2． 5 ， C =210。 1 ． 3 ． 2 围岩 的热力学参数 岩锚 梁 围岩 为 Ⅲ类 围岩 ，其 热力 学参数 见 表 1 。 表 1 围岩 的热力学参数 导 温 系 数 ／ 导 热 予 数 ／ 比 热 ／ k J ． 线 膨 胀 系 弹 性 模 量 ／ 泊 松密 度 ／h m i ． _ ( ℃ 数 ／ 1 0 G P 比 。 d ～ d ． ℃1— 1( k g ‘ ℃)I 1数 比 k g ’ I 3 1 ． 3 ． 3 混凝 土 的热 力 学参数 本文 就该 水 电 站 岩锚 梁 的 4种 不 同类 型 混 凝 土 进 行计算 与 分 析 ，其 热 学 参 数 见 表 2，力 学 参 数 见 表 3 。 表 2混凝土热学参数 抗拉强度／ MP a 弹性模量／ G P a 类 别 泊松 比———— 7 d 2 8 d 9 0 d 7 d 2 8 d 9 0 d e N o ． 8 团 2 成果分析 2 ． 1 温度 场分 析 大体积 混凝 土 内部 水 化 热 散 发 相 比于 表 面要 缓 慢 ，表 面点 与 围岩点 的温度 较 低 ，中央点 温 度最 高 ， 因 此 以 图 1中 中 问 点 ⑤ 作 为 代 表 点 进 行 分 析 。 各 工 况 中 间 点 ⑤ 最 高 温 度 和 最 大 内 表 温 差 见 表 4，各 工 况 温 度 历 时 曲线 见 图 3～4。 表 4不同工况中间点⑤温度峰值和最大内表温差 O 1 O 2 0 3 0 4 0 5 0 时间， d 图 3 不 同混凝土强度等级 Z= 0 m 断面中间点⑤ 温度历时 55 5 O 45 芝4 0 嚣 3 5 3 0 2 5 2 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 时间， d 图 4不同混凝土类型 Z=0 m 断面中间点⑤温 度历时 由 图 3～4可 以 看 出 ，各 种 工 况 混 凝 土 块 的 温 度 场 变化规 律 相似 ，都 是 从 浇 筑 开 始 后 温 度 场 经 历 了 3个 阶段 ，分 别 是 ：水 化 热 温 升 、温 降 、随 环 境 周 期 性 变 化 。分 析 表 4 中 的 数 据 ，得 到 以 下 结 论 ： ( 1 ) 从 C 2 5 b s到 C 3 5 b s ，中 间 点 的 最 高 温 度 由 4 9 ． 9 5℃ 增 至 5 1 ． 0 4 ℃ ，增 长 1 ． 0 9 ℃ ， 出 现 时 问 均 在 4 ． 5 d 左 右 ； 最 大 内 表 温 差 由 1 5 ． 4 c c增 至 1 6 ． 2 1℃ ，增加 了 0 ． 8 1℃ ，时 间 均 在 8 d左 右 。结 合 计 算 结 果 数 据 和 混 凝 土 的 热 学 参 数 可 知 ，随 着 混 凝土 强度 等 级 的增 大 ，绝 热 温 升 逐 渐 增 长 ，最 高 温 度 与最大 内 表 温 差值 也 相 应 增 长 。因 此 ，混 凝 土 的 强 度 等 级 对 岩 锚 梁 混 凝 土 温 度 场 的 影 响 比 较 明显 。 ( 2) 与 C 3 0 b s 相 比 ， C 3 0 c t 典 型 断 面 中 间 点 的 最 高 温度 降低 了 5 ． 4 1 o C，出现 时 间 由4 ． 2 5 d延至 6 d ； 最大 内表 温差 降低 了 2 ． 4 9℃ ，出现时 间却 相 同。随 着混 凝 土 由泵 送 变 为 现 浇 ，绝 热 温 升 值 下 降较 大 ， 混凝 土 的最 高温 度 和 最 大 内表 温 差 都 相 应 下 降 ，且 变化 较大 。 因此 ，混 凝 土强 度 等 级 能 显 著 影 响 岩 锚 梁 温 度 场 。 2 ． 2应 力场 分析 以 中 问点 ⑤ 数 据 作 为 代表 进 行 分 析 。不 同工 况 下 中间点⑤ 的第 一 主 应力 历 时 曲 线见 图 5～6，中间 点⑤各 工况 各龄 期 主应力 及 抗 裂 安全 系 数 K见 表 5 ， 各 工 况最 大 应 力 与最 小 安 全 系 数 见 表 6。该 项 目拟 定 设计 抗裂 安全 系数 为规 范要 求 ，即 1 ． 5 。 4 董 一 一 C 3 0 t ／ ⋯一C25 [ ／ 一 _ C 3 5 [ l o 2 o 0 3 o 4 o 5 { 时 间 ， d 图 5不同混凝土强度等级 中间点⑤第一主应力历时 ． ／ 一 一 ～ ～ 一 二 c 3 0 b s ■ 一 一 — — — — — ～ — — — <c 3 0 c t ． f ／ 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 I 时闻， d 图 6 不 同混凝土类型 中间点⑤第一主应力历时 表 5不 同工况各龄期岩锚梁 Z= 0 m断面处中间点⑤主应力及安全 系数 困 e r e r V o L 4 1 8 柏 ∞ ∞ p＼ 赠 6 5 4 3 2 O 0 ～口 u加t = m ^恫’寸： ， c 匕批上 J 叉寸 1 ’ u大芏^ I ’ J 厉t= ] 禾I l l ： ； 撒上皿， 工 廿 融u 表 6各工况最大应力与最小抗裂安全 系数 注 ：最小抗 裂安全 系数 ： 抗 拉强度／第一主应力 。 由 图 5～6和 表 5～6可 看 出 ，岩 锚 梁 混 凝 土 特 征 点 主 应 力 经 历 了 与 温 度 场 相 对 应 的 变 化 过 程 。 具 体 分 析如 下 ： ( 1 ) 在 工况 1～3中 ，随 着 强 度 等级 的增 大 ，各 龄 期 的 拉 应 力 也 相 应 增 大 。 C 2 5 b s最 大 拉 应 力 为 4 ． 41 MP a ，C 3 0 b s为 4 ． 6 5 MP a ，C 3 5 b s为 4 ． 8 8 MP a 。 混凝 土强 度 等级 由 C 2 5 b s增 至 C 3 5 b s ，最 大拉 应力 相 应 增 加 了 0 ． 4 7 MP a ；对 应 最 小 抗 裂 安 全 系 数 也 由 0 ． 8 8降 至 0 ． 8 4，减 小 了 0 ． 0 4，且 都 小 于 1 ． 5，不 满 足 抗 裂 要 求 。 在 3种 工 况 中 ， 最 大 拉 应 力 出 现 时 间 均在 2 3 0 d，即在 冬天 。而 最小 安 全 系 数 出现 在 3 7 d 左 右 ，即早 期 洒 水 养 护 结 束 之 后 。 因此 ，如 果 不 采 取 任 何温 控 方案 ，岩锚 梁 混凝 土 在 浇 筑 早 期 就 可 能 产 生裂 缝 ，强 度 等 级 越 大 ，产 生 时 间越 早 ，并 且 到 冬季 裂 缝 会 进 一 步 发 展 ，最 终 可 能 会 发 展 为 贯 穿 裂 缝 。 ( 2 ) 在相 同混 凝 土 强 度 条 件 下 ，与 工 况 2相 比， 工况 4早 期 拉 应 力 明显 减 小 ，安 全 系 数 增 大 ，大 于 1 ． 5，满 足抗 裂要 求 。到冬 季 2 3 0 d时 ，C 3 0 c t 应力 值 达 到最 大 ，为 3 ． 0 2 MP a ，最 小安 全 系 数 为 1 ． 4 2，仍 小 于 1 ． 5，不满 足抗 裂 要 求 。 比较 分 析 工 况 2、4可 知 ，相 较 于 C 3 0 b s ， C 3 0 c t最 大 拉 应 力 减 小 了 约 1 ． 6 3 MP a ， 出 现 时 间 也 在 冬 季 ； 最 小 安 全 系 数 增 加 了 0 ． 5 4， 出 现 时 间 在 冬 季 。 因 此 ， C 3 0 c t混 凝 土 早 期不 会 出现 裂 缝 ，裂 缝 在 冬 季 开始 产 生 ，如 果 在 冬 季采 取一 定 的温 控 措 施 ，如保 温等 ，可 以有 效 地 防 止裂 缝 的产 生 ；而 C 3 0 b s混 凝 土在 早期 就 产生 裂缝 ， 并 在 冬 季 进 一 步 发 展 ， 需 要 在 浇 筑 早 期 采 取 一 系 列 的 温控 措 施 ，如 预冷 骨 料 、通 水 冷 却 等 ，减 少 早 期 的 温 度 应 力 增 长 。 2 ． 3 敏 感 性分 析 y ／ - 析工 况 1～3可知 ，随着 强度 等 级增 大 ，各 龄 期 温度 与温 度应 力 相应 增 长 。 由表 4～6可 知 ，工 况 3 的 最 高 温 度 增 加 了 1 ． 0 9 ℃ ，最 大 温 差 提 高 了 0 ． 8 1℃ ，增 长 比例 为 2 ％ ；工 况 3的 最 大 应 力 增 加 了 0 ． 4 7 MP a ，增长 比例 达 1 0 ． 7 ％ ，最 小安 全 系数减 小 了 0 ． 0 4。 因 此 ，在 满 足 结 构 强 度 要 求 的情 况 下 ， 尽量 采用 强 度 较低 的 昆凝 土 ，可 以降 低 施 工 的温 控 要求 ，加快施 工 进度 和节 省工 程投 资 。 比较 工 况 2与 工 况 4，2种 工 况 混 凝 土 强 度 相 同 ，类 型分 别 为 泵 送 和 常 态 混 凝 土 。 由表 5～7可 知 ，与 C 3 0 b s 相 比 ，C 3 0 c t 最 高温 度下 降 了 6 ． 0 4℃ ， 最 大 拉 应 力 减 小 了 1 ． 6 3 MP a ，最 小 安 全 系 数 增 加 了 0 ． 5 3 。 因 此 ，一 般 在 岩 锚 梁 施 工 中 ，尽 量 采 用 常 态 混 凝 土 ，只有在 施 工 条 件 不 允 许 的条 件 下 才 会 采 用 泵 送 混 凝 土 。 当 采 用 泵 送 混 凝 土 时 ， 需 要 采 用 较 好 的 温 控 措 施 ， 以 防 止 或 减 少 裂 缝 的 产 生 。 3 结语 混 凝 土强度 对 岩 锚 梁 混 凝 土 的温 度 场 和 温 度 应 力 场 有 明 显 的 影 响 。 随 着 混 凝 土 等 级 升 高 、 水 泥 用 量 增 大 ，致 使 岩锚 梁 混 凝 土 的最 高 温 度 与 内表 温 差 增 大 ，温 度 应 力 明显 增 加 ，抗 裂 安 全 系 数 明 显 减 小 。 因此 实际施 工 中 ，在 能 满足结 构 强度 要 求 的条 件下 ， 应 尽 量 采 用 低 等 级 强 度 的 混 凝 土 ， 以 减 少 裂 缝 的 产 生 。 常态混 凝 土 可 以显 著 降 低 最 高 温 度 ，减 小 最 大 拉 应力 ，提 高 抗 裂 安 全 系 数 ，降 低 甚 至 避 免 裂 缝 的 发 生 。 常 态 混 凝 土 无 论 是 裂 缝 的 发 生 时 间 、可 能 性 、 裂 缝深 度 和范 围都 显 著 偏 于 有 利 。 因 此 ，在 条 件 允 许 的 情 况 下 ， 应 采 用 常 态 混 凝 土 。 参考文献 ： [ 1 ]徐跃之 ，肖汉江 ，陕亮．三峡 电站地下厂房岩锚梁 温度 应力控制 措施探讨 [ J ] ．水利水 电科技进展 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 3 ) ： 5 1 — 5 3 ． [ 2]陈炳祥 ， 杜彬．岩锚梁梁体混凝 土裂缝 的分析与控 制[ J ] ．铁道 建筑技术 ，1 9 9 8 ( 6 ) ： 4 1 - 4 4 ． [ 3 ]R U S C H H ．C r e e p a n d s h r i n k a g e ：t h e i r e ~e t s o n t h e b e h a v i o r o f c o n — c r e t e s t r u c t u r e [ M] ．N e w Y o r k ：S p r i n g e r — V e r l a g N e w Y o r k I n c ， 1 9 8 3 ． [ 4 ]朱伯芳．考虑温度 影响的混凝 土绝热温升表 达式[ J ] ．水力发 电 学报 ， 2 0 0 3 ， 8 1 ( 2 ) ： 6 9 — 7 3 ． [ 5 ]张子明 ， 宋智通 ，黄海燕．混凝 土绝 热温升 和热传 导方程的新理 论 [ J ] ．河海大学学报 ：自然科 学版 ， 2 0 0 2， 3 0( 3 ) ：1 - 6 ． [ 6 ]R U DO L F P ．A b o u t t h e u n r e i n f o r e e d i n n e r l i n i n g o f r o c k t u n n e l s - s t a - b i l i t y a n a l y s i s a n d d e f o r ma t i o n o f t h e c r a c k e d a r e a[ J ] ．B e t o n u n d S t a h l b e t o n b a u ， 1 9 9 3 ， 8 8 ( 6 )： 1 5 7 - 1 6 0 ． [ 7 ]朱伯芳．大体积混凝 土温度应力 与温度控制 [ M] ．北京 ：中国电 力出版社 ，1 9 9 9 ． [ 8 ]梁倩倩 ， 段 亚辉 ．江坪河水 电站有压放空洞衬砌 混凝 土温控研究 [ J ] ．水 电能源科学 ， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 5 ) ：8 9 — 9 2 ． ( 责任 编辑杨健 )