细骨料品种对混凝土大坝温度应力的影响.pdf
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1、第 3 0卷第 1 期 V 0 I 3 0 No 1 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l O W o f Wa t e r R e s o u r c e s 2 0 1 0年 2月 F e b2 0l 0 D O 1 : 1 0 3 8 8 o j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 0 O 1 0 0 2 细骨料品种对混凝土大坝温度应力的影响 董福品, 丁 晓, 李赵宇 ( 华北 电力大学 可再生能源学院 , 北 京 1 0 2 2 0 6 ) 摘要 : 以某大型水
2、 电站工程 的河床坝段为例 , 仿真分析 了玄武岩砂混凝土、 石灰岩砂 混凝土和 白云 岩砂混凝土等3 种细骨料品种混凝土大坝的温度和温度应力, 分析结果表明, 混凝土细骨料品种对 大坝的温度应力及温控特性具有较大的影响, 并得到了温控措施与坝体抗裂安全系数的关系, 为细 骨料品种的优化选择提供依据。 关键词 : 水工结构 ; 安全系数 ; 温控措施 ; 细骨料品种选择 中图分类号: T U 5 2 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 1 卜O 3 I n f l u e n c e s o f f i n e a g
3、g r e g a t e s o n t h e r m a l s t r e s s e s i n c o n c r e t e d a ms D O N G F u p i n ,D I N G X i a o ,L I Z h a o y u( &h o o o f R e n e w a b l e E n e r g y ,N o r t h C h i n a E le c t r i c P o u e U n i v e r s i t y , , lg 1 0 2 2 0 6 ,C h i na ) Ab s t r a c t :T a k i n g a r i
4、v e r b e d d a m r e a c h o f a l a r g e s c a l e h y d r o p o w e r s t a t i o n a s a n e x a mp l e ,t h e t e mp e r a t u r e s a n d the r mal s t r e s s e s of c o n c r e t e d a ms w i t h 3 k i n d s o f fi n e a g g r e g a t e s , b a s a l t c o n c r e t e ,l i me s t o n e c o
5、n c r e t e c o n c r e t e a n d d o l o s t o n e c o n c r e t e ,w e r e s i mu l a t e d a n d an a l y z e d T h e r e s u l t s s h o w tha t t h e fi n e a g g r e g a t e s i n c o n c r e t e h a v e i mp o r t ant i n fl u e n c e s o n t h e t h e r ma l s t r e s s e s a n d t e mp e r
6、a t u r e c o n t r o l c h a r a c t e ris tic sTh e r e l a t i o n s hi p b e t we e n t h e t e mpe r a t u r e c o n t r o l me a s il r e s a nd the s a f e t y f a c t o r o f c r a c k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e d a ms w e r e y i e l d e d,a n d i t w o uld he u s e f u l f o r
7、 t h e o p t i mi z a t i o n an d s e l e c t i o n of fi n e a g g r e g a t e s Ke y wo r d s :h y d r a uli c s t r u c t ure ;s a f e t y f a c t o r ;t e mpe r a t u r e c o n t r o l me a s u r e ;s e l e c t i o n of fi n e a g g r e g a t e s 混凝土 中的骨料对混凝土的热学和力学性能具 有重要的影响。混凝土性能的改变不仅对混凝土 坝的温度
8、应力状态和抗裂能力有影 响 , 而且对温控 措施及温控费用带来相当大的影响。同一种骨料可 能对混凝土有些性能的影响是有利 于温控 的, 而对 另一些性能的影响是不利于温控的 , 因此 , 无法直接 判断骨料对温控总体影响的好与坏。当有几种骨料 品种可供选用时 , 需要通过温度应力仿真分析和坝 体抗裂安全系数的研究来判断和选择 。 过去 , 人们研究骨料品种对混凝土性能的影响 时, 细骨料品种通常选择岩性一致 的同一种岩石。在 工程 中, 根据现场的实际情况 , 混凝土 中的细骨料品 种有可能选择不同岩性的岩石。因此 , 细骨料品种的 选择对大坝温控挣 I生的影响是一个值得探讨 的问题。 本文结
9、合某大型水 电站工程中细骨料 品种对混凝土 性能影响的试验结果 , 仿真分析 了 3 种细骨料品种混 凝土大坝的温度和温度应力 , 综合研究了在混凝土组 成材料中只改变细骨料品种的情况下, 细骨料品种对 大坝混凝土温控特性的影响和在温度控制方 面的优 劣, 得到了温控措施与坝体抗裂安全系数的关系, 为 细骨料品种的优化选择提供依据。 1 研究方案和主要参数分析 选取某大型水电站工程的河床坝段进行分析研 究。用 2 0 结点等参数单元对坝体和地基进行 网格 剖分 , 用大体积混凝 土结 构温度场和温度徐变应力 仿真分析软件 D T S S A进行 三维温度和应力仿真分 析 2。计算从浇筑第 1层
10、混凝 土开始 , 一 直算 到坝 体温度场达到准稳定温度为止。计算 中模拟了混凝 土施工过程 、 材料性能的变化过程 、 外界条件( 气温 、 水温、 保温、 水管冷却) 的变化过程。研究从 3 方面 进行 : 无温控措施条件下三维温度应力仿真分析 ; 浇筑温度对抗裂安全系数的影响研究 ; 在预冷 和水管冷却措施下浇筑温度对抗裂安全系数的影响 研究。 选择 3 种细骨料品种的混凝 土, 分别为玄武 岩 砂混凝土、 石灰岩砂混凝土和 白云岩砂混凝土。其 主要热学和力学性能参数试验结果见表 l 和表 2 。 作者简介 : 董福品( 1 9 5 9 一 ) , 男 , 山西应 县人 , 教授 , 博
11、 士, 从 事水 工结构研 究。E - m a i l : d o n g f p n c e p u e d u C 13 水利水电科技 进展 , 2 0 1 0 , 3 0 0) T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l : h h u c “h t tp: k k b Mu e d u m 。 l I 表 1 混凝土的热学参数 表 2 混凝土的弹 性模量和极 限拉伸值 混凝土 弹性模量 G P a 极限拉伸值 1 0 “ 类 型 7 d 2 8 d 9 0 d 1 8 0 d 7 d 2 8 d 9 0 d 1 8 0d 试验结果表明, 在满足设
12、计要求的条件下 , 不同 细骨料 品种配制的混凝土的弹性模量、 线胀系数 、 极 限拉伸值 、 绝热温升等指标存在一定的差别。混凝 土热膨胀系数 、 绝热温升等对混凝土大坝的温度应 力影响 比较大 , 弹性模量 的变化既影响温度应力的 量值 , 又影响混凝土的抗裂能力 , 极限拉伸值的变化 也影响混凝土的抗裂能力。在热膨胀系数和绝热温 升方面 , 石灰岩砂混凝土优于其他 2种混凝土。在 弹性模量方面, 对温度应力来讲 , 玄武岩砂混凝土优 于其他 2种混凝土 ; 对混凝土抗裂能力来讲 , 白云岩 砂混凝土优于其他 2种混凝土。在极 限拉伸值方 面, 玄武岩砂混凝 土优于其他 2种混凝土。因此
13、, 3种细骨料品种混凝土的性能变化对温度应力和混 凝土抗裂能力的影响是不一致的。 2 混凝土温度应 力计算原理和方法 2 1 混凝土温度场和温度徐变应力有限元法计算 原理 根据热量平衡 , 混凝土温度场的导热方程为 I硼0 T = n ( + 雾+ ) + 3 0 ( 1 ) I硼 I + 十 J + ( 1 式中: 0为导温系数 ; T为温度; 0为混凝土绝 热温 升 ; r为时问。 根据变分原理 , 热传导 问题可以等价地转化为 泛函的极值问题, 把求解区域 划分为有限个单 元, 所有单元集合后得到方程组: ( H + R ) 血一 + 心= 0( 2 ) 求解此方程即可由 r时刻的温度值
14、 得到各结点 在 r+ r时刻的温度值 + 。 由有限元法中的平衡方程可得混凝土温度徐变 1 2 水利水电科技进展 , 2 O l O , 3 0 ( 1 )T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 应力有限元法基本方程: KA 6 = P + P +P +A e o ( 3 ) 式 中: 为结 构的刚度 矩阵 ; P 为外荷载 增量 ; P : 为徐变变形产生 的当量荷载增量 ; 为温度 荷载增量 ; Ae o 为 自生体积变形荷载增量。 由式( 3 ) 求得位移增量 后, 应力增量由式 ( 4 ) 计算l 3 J 。 =D ( BA 6 叩 一 一A o ) ( 4 )
15、2 2 混凝土结构水管冷却等效分析 水管冷却效果受混凝土温度与水管中水温之间 差值的控制, 差值越大, 冷却效果越好; 反之, 差值 小, 冷却效果差。因此, 影响水管冷却效果的因素除 了开始冷却时混凝土温度 与水管水温 的差 值( 7 1 0 一 ) 和水泥水化热外 , 还有一个很重要 的因 素, 即混凝土表面散热。文献 4 中提出了考虑混凝 土表面散热对水管冷却效果影响的计算方法。 2 2 1 第1 种计算方法 设在 r内由于混凝土表面散热引起的混凝土 平均温度降低为 并且假设 AT 只发生在时段 末 , 从 z 1 0 到 r 时间混凝土表面散热对水管冷却效 果的影响为 f n = 7
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