水管冷却作用下岩锚梁混凝土施工温度应力分析.pdf
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1、第 4 2卷 第 1 9期 2 0 1 1年 1 0月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 42, No 1 9 0c t 2 011 文章 编号 : 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 1 ) 1 90 0 4 2 0 5 水管冷却作用下岩锚梁混凝土施工温度应 力分析 董 迎 娜 , 黄 强 , 陈 守 开2 , 郭 磊2 ( 1 洛 阳理 工学院 土木 工程 系, 河 南 洛 阳 4 7 1 0 2 3 ; 2 华北水利水 电学 院 水利 学院, 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ) 摘 要 : 针对水 电站地 下厂房 中岩锚 梁混凝 土结构
2、施 工期 易开 裂的问题及其 结构特 点, 采取 了水管 冷却和表 面 保 温相 结合的温控措 施。依托某岩锚梁工程 , 利用考虑水管冷却 的不稳 定温度场和应 力场 的有限元 方法 , 对 典 型岩锚 梁施工段 进行仿真计算 , 从 温度 、 第一主应 力以及抗 裂安全度 3方 面分 析 了水 管冷却和表 面保温措 施 的温控 效果。结果表明 , 水 管冷却和表 面保 温相 结合 的温控措 施能够把岩锚 梁施 工期应 力控制在 允许 范围 内, 使其满足允许抗裂安全度 , 并认为运用抗裂安全度的方 法评价 混凝 土结构的抗裂能力更为合理 。 关键词 : 水管冷却 ;表面保温 ;温度场 ; 应
3、力场 ;抗裂安全度 ; 岩锚 梁 中 图 法 分 类 号 :T U 3 7 5 文 献 标 志码 :A 目前 , 我国大型水电站地下厂房 吊车梁大多采用 岩 锚梁 结构 型式 , 这是 一 种钢筋 混凝 土 承力 结构 , 利用 一 定深度的注浆长锚杆将混凝土梁体牢牢锚 固于岩体 上 , 通过长锚杆 、 岩壁台座和岩石壁面摩擦力将梁体承 受的荷载传递到岩体上 。由于洞室的岩壁极不均 匀 , 且岩体弹性模量较大 , 使得岩锚梁结构受到了较大 的变形约束 , 而且岩锚梁通常采用水化放热量很 高的 泵 送 混凝 土 , 加 之 其 施 工段 长 度 较 长 , 有 时 长 达 十 几 米 , 因此
4、防裂难 度很 大 。 实践表 明 , 岩锚 梁施 工期 时有 裂缝 出现 , 有些 裂缝 在 拆模 时 就有 , 而有 些则 在拆模 一 段 时间后 才 出现 , 影 响岩 锚梁 的观 瞻性 和耐 久性 、 甚至 抗力 能力 , 成 为 目前 厂房 施工 中大 家 所 特 别 关 注 的 技 术 问题 之 一 。 为 此 , 本 文依 托某 岩锚 梁 工 程 , 从 温 控 防 裂 角度 出发 , 利 用有限单元法 , 对岩锚梁典型施工段进行三维不稳 定 温度场和应力场的仿真计算 , 综合分析水管冷却和表 面保 温综 合措 施下 的温 控 防裂效 果 。 1 仿真计算基本理论 1 1 不稳定温
5、度场 在计算域 R内任何一点 , 不稳定温度场 T ( , Y r )须满足热传导方程 = ( 等+ + 窘 ) + O 0a ( 1 ) ( + + J + 【 l J ar 、a a y a 式中, 为温度 , ; a 为导温系数 , m h ; 口 为混凝土绝 热温 升 , o C; Jr 为 混凝 土龄 期 , d 。 利用 变分 原理 , 对 式 ( 1 ) 采 用 空 间 域 离散 , 时 间域 差分 , 引入初始条件和边界条件后 , 可得向后差分的温 度场有限元计算递推方程 , 具体参考文献 6 。 混凝土内含冷却水管时 , 根椐 傅立叶热传导定律 和热量平衡条件 , 求解水管沿
6、程水温的增量 , 具体参考 文献 6 7 。 1 2应 力 场 混凝 土在 复杂 应力 状态 下 的应 变增 量包 括弹 性应 变增 量 、 徐变 应变增 量 、 温 度应 变增 量 、 干缩 应 变 增 量 和 自生体积应变增量 , 因此有 : 8 = a占 : + A : + As : + A : + A : ( 2 ) 式 中 , a : 为 弹性应 变增 量 ; a占 : 为徐变 应 变增 量; a : 为温度应变增量; A8 : 为干缩应变增 量; aoo : 为自生体积应变增量。 由物理方程 、 几何方程和平衡方程可得任一时段 At 在区域 R 上 的有 限元支 配方程 , 具体
7、参考文 献 6 。 收稿 日期 : 2 0 1 l O 5 2 1 作者简介: 董迎娜, 女, 讲师, 主要从事主要从事结构工程方面的教学与科研工作。Ema i l : c a n a n c h e n 1 2 6 c o n 第 1 9期 董迎 娜, 等 : 水 管冷却作用下岩锚梁 混凝土施 工温度 应力分析 4 3 1 3抗裂安全 度 抗裂 安全 度 是预 测 和判 断混凝 土是 否会 发 生开 裂 的评 价 指标 , 抗裂 安全 度 越大 , 防 止裂缝 发 生 的安全 性 就越高 ; 反之 , 安全性就越低。混凝土任意位置的即时 抗裂安全度根据混凝土的即时抗拉强度和即时应力计 算 。
8、 一 。 k ) : 等or , r ) 。 (3 ) ( r ) = ( ) 一 ( ) 0 , o r “( ) 0 式中, k ( r )为任意一点 i 在龄期 r时刻混凝土的抗裂 安全 度 ( r )为 龄期 r时刻混 凝 土 的抗拉 强 度 , MP a ; o r “( )为混凝土任意一点 i 在龄期 时 的即时应力 , 正 为拉应 力 , 负 为压应 力 , MP a 。 2 工程实例分析 2 1 工程简 介 某地下厂房岩锚 梁全 长为 2 2 6 4 2 m, 高 宽 为 3 3 5 m2 2 5 m, 混 凝 土现场 浇 筑长度 是 每 8 0 1 2 0 m为一段 , 上、
9、 下游厂房岩壁均有 2 2个 浇筑段 。 岩锚梁一期混凝土采用 C 2 5二级配泵送混凝土 , 具体 配合 比见表 1 。梁内高强砂浆锚杆采用级精轧螺纹 钢筋 4 0 S i 2 M n V或 4 5 S i 2 Mn V, 两侧排风兼排水管之间 锚杆 水 平 间距 约 0 7 m。 表 1 岩锚梁混凝土配合 比 k g r n 水 水泥 粉煤灰 砂 小石 中石 N O F一 2 B N O F A E 9 5 2 3 8 6 0 9 5 0 7 0 2 4 6 7 1 7 9 2 3 R 2 2 计算模 型及 条件 模 型 以岩壁 吊车 梁 1 3 3 m 的最 长 施 工 段 为 研 究
10、对象 , 考虑锚杆的影响, 梁 内锚杆间距 0 7 0 r l l , 两侧锚 杆距 梁 的边 界 约 为 0 3 m。地 基 计 算 域 取 横 向深 度 2 0 0 m, 纵向深度 2 4 0 m。模 型节点 总数 3 2 1 9 8个 , 空间 8节点六面体等参单元总数 3 8 3 6 2个( 含水管 ) , 计算 网格模型见图 1 ( 地基显示部分) 。坐标原点位于 岩锚梁下部三角区域 中部端点 , 轴朝上 , 轴沿长度 方 向 , Y轴沿 横截 面方 向。 计算温度场时, 初始地基温度取 当地多年平均地 面气温( 2 1 2 C) , 梁 内埋设冷却水 管 ( 图 2 ) , 侧 面
11、和 底面采用 w i s a 模板 , 顶面覆盖麻 布保温。计算应力场 时, 厂房的临空岩面 自由, 其他面受法 向约束 , 除温度 荷载外 , 还考虑 自重、 自生体积变形、 干缩 、 徐变 、 岩体 不均匀位移等作用 。岩锚梁计算参数部分根据配合比 ( 表 1 ) 估算 , 其余通过现场非绝热温升试验 , 采用遗传 算法反演获得 。计算分析所采用特征点见 图 3 , 图 中 1 为 内部点 , 2为侧表面点 , 3为顶表面点。 图 1 计 算网格 图 2水管布置 图 3特 征 点 布 置 (单 位 : mm) 2 3 计算 结果分析 本文对岩锚梁混凝土结构在温控条件下进行施工 期温度应力仿
12、真分析 , 以弄清温度和应力最大值 出现 的时间、 部位 , 以及是否满足防裂要求等问题 。采用的 方法是获得特征点温度及应力的历 时曲线( 给出最大 人 民 长 江 值 出现 的时 间 ) , 典 型剖 面 的温 度及 应 力 分 布 图 ( 给 出 最大 值 出现部 位 ) 以及特 征 点 的抗 裂 安 全 度 。针对 本 文研 究 的岩锚 梁结 构 , 允 许抗 裂安 全度 取 1 6 。 2 3 1 温度计算 结果 图 4为特征点 1 3的温度历时曲线 , 图 5为岩锚 梁中截面典型时刻温度分布情况。由图可以看 出: 由于岩锚梁采用泵送混凝土 , 水泥含量高 , 水化放热量 大 , 尽
13、管采用 了水 管冷却措施 , 但是 内部温升依然较 高 , 如内部点 1温度在龄期 2 5 d时, 达到了4 3 2 8 C。 而水 管对 岩锚 梁 内部温 度 的影 响 可 以从 停水 时点 1的 变化 情况 看 出 , 在 龄 期 7 2 5 d ( 停 水 ) 时 , 点 1出现 明 显的拐点 , 即停水前降温速度较快 , 降温 1 2 1 5 , 平 均每天降温约 2 4 3 ; 停水后 降温变缓 , 到龄期 2 0 d 时 , 降温 1 0 2 9 , 平均每天 降温约 0 7 9 C, 此后 降温 速度更慢 , 直到准稳定温度 阶段 。 与内部点相 比, 温升阶段的表面温度则要低一
14、些 , 如表面保温较好 的 侧表 面 点 2 , 在 龄 期 2 5 d时 , 达 到 3 8 6 , 表 面保 温 较差 的顶 表 面 点 3在 龄 期 1 5 d时 , 最 高 温 度 为 3 4 6 , 这 是 由于表 面混凝 土 与周 围环境 接触 , 蓄 热 能 力较 弱 , 当 然 这 也 与 表 面 热 交 换 系 数 ( 保 温 力 度 ) 有 关 , 如点 2就 比点 3最高 温 度 高 4 O C, 且最 高 温 度 到 达 时间推 迟 1 0 d 。 由 于考 虑 了昼 夜 温差 的影 响 , 混凝 土表 面 的温度 还 受 洞 内气 温 变 化 的 影 响 而波 动 ,
15、 当然 , 由于洞内气温 日变 幅不大 , 所以混凝土表面的温 度变幅也不大。 龄期 2 5 d时 , 混凝土中心截面在 受水管冷却影响薄弱的位 置温度较高 , 最高温度可达 4 4 c I = , 且 整个 中心 区域温 度 均 超过 4 0 C。在 水 管 冷 却 降温作用下 , 接近水管的区域散热快 , 远离水管的区域 散热 慢 , 使停水 时 混凝 土 的 中截 面最 高 温 度 区域增 大 且向岩锚梁下部移动, 至 2 8 d龄期 时, 混凝土水化 放 热基本完成 , 整个截面温度内高外低。 由于 w i s a 模 板的保温效果远优于麻布, 因此顶表 面位置形成了较 大 的温度 梯
16、度 , 而在侧 表 面位 置温 度梯 度 则 相对 小 很 多 。 图 4特征 点温 度历 时曲线 图 5岩 锚 梁 典 型 龄 期 中截 面 温 度 分 布 ( 单 位 : 【 ) 2 3 2 应 力计 算结果 在 温度 等作 用 下 , 混 凝 土 内部 的应 力 变 化 如 图 6 8所示。 升温 阶段 , 梁 内多表现为少许压 应力 , 随着混凝土温度逐步下降和弹模 的变化 , 受到岩体 的 约束及混凝土 自身约束作用 , 内部温度拉应力逐渐增 大。虽然通水期间降温速度很快 ( 2 4 3 d ) , 但 由于 期间弹模较小, 应力增幅不大, 如内部点 1到停水时应 第 1 9期 董迎
17、娜 , 等 : 水管冷却作 用下岩锚梁混凝土施工温度应力分析 4 5 力仅 0 5 5 MP a , 停水后 , 随着混凝土弹模 的稳定 , 单位 降温温差产生的拉应力增加 , 在龄期 2 8 d时, 其拉应 力达到了 1 2 1 MP a , 抗裂安全度为 2 0 6。 内部温 度 混凝 土 的最 大 拉 应 力 多 出现 于 早 期 , 如侧 表 面 点 2 出现了两个拉应力峰值 : 在龄期 2 5 d , 拉应力为 0 5 4 MP a , 是 由混凝土温度应变不均匀 和 自生体积变形引 起 的应力 , 由于侧表 面保温效果较好 , 内外温差较小 , 产生的拉应力也较小 ; 在 1 0
18、d龄期拆模 时, 应力产生 突 变 , 内应 力 从 0 5 d时 的 0 9 8 MP a增 大 到 1 3 0 MP a , 抗裂安全度仅 1 7 8 。此后 , 受环境温度影 响, 表 面拉应力在波动 中减 小, 在考虑洞 内昼夜温差 的计算 阶段 , 拉应力值均满足允许抗裂安全度 1 6 。而顶表 面保温较差 , 因此早期拉应力较大 , 顶表面点 3在龄期 2 0 d时 , 达到最大拉应力 0 9 3 M P a , 接近允许抗裂安 全度 1 6 , 此后拉应力在波动中逐渐减小并趋于稳定。 表 面点 到 了后期 逐渐 表 现 为 压 应 力 , 不 再 具 有 产 生 表 面温度裂缝的
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