高强度混凝土渡槽夏季施工防裂措施研究.pdf
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1、第 2 8卷 第 9期 2 0 1 1年 9 月 长 江科 学 院 院 报 J o u r n a l o f Ya n g t z e Ri v e r S c i e n ti fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 28 No 9 S e p 2 0 1 1 文章编号 : 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 4 8 0 5 高强度混凝土渡槽夏季施工防裂措施研究 张杨 ,邬爱清 , 何磊 ( 1 扬州大学 水利科学与工程学院, 江苏 扬州2 2 5 0 0 9; 2 长江科学院 水利部岩土力学 l 弓 工程
2、重点实验室, 武汉4 3 0 0 1 0 ; 3 西南电力设计院, 成都6 1 0 0 2 1 ) 摘要 : 高强度混凝土渡槽结构承载能力高, 但水化放热量也大, 在夏季浇筑时混凝土温控防裂难度较大。采用非稳 定温度场及应力场的有限元计算方法 , 对夏季施工的典型渡槽结构进行了施工过程的仿真计算。根据不同工况的 温度场和应力场计算结果, 分析了易裂部位的开裂原因, 提出了相应的水管冷却和表面保温措施 , 可为类似高强度 混凝土结构的设计和施工提供有益的参考。 关键词: 渡槽 ; 高强度混凝土 ; 温控防裂; 有限元 中图分 类号 : T V 3 1 5 文献标识码 : A 1 研究意义与目的
3、2 计算方法 迄今为止 , 国内大部分薄壁结构的水利工程在 施工期都会出现或多或少的混凝土裂缝: 表层裂缝 或贯穿裂缝 。前者影 响建筑物 的美观和使用寿命 , 后者若 出现在关键部位 则会危及 到建筑物的安 全 。深入探究 , 此类工 程长期受到混凝土开裂问题 困扰的原因, 在于混凝 土裂缝成 因和抗裂技术始终 没有很好地被工程界所认识和掌握。 目前在建工程 中有很多薄壁结构 , 且 相当一部分采用高强度混凝 土, 虽然强度较高 , 但 因为水泥用量大 , 水化发热量 也 明显大于一般的薄壁类结构 , 再加上常常在高温 季节施工 , 其施工期的温度裂缝控制 问题 比一般混 凝土结构更加 麻烦
4、 J 。因此 , 对 工程 中的薄壁结 构应加强质量控制, 做好温控防裂工作, 确保工程的 建设质量 、 安全性和使用寿命。 本文基于非稳定温度场和应力场计算的有限元 方法 , 对某高强度混凝土渡槽的夏季施工过程进行 了仿真计算 , 分析计算结果 , 探索开裂机理 , 提 出了 施工期技术上可行、 经济上合理的防裂措施, 并收到 了较好的效果。 采用非稳定 温度场和应力场有限元计算方法, 对高强度混凝土结构进行施工过程模拟。仿真计算 中考虑的主要影响因素有 : 混凝 土 自生体积变形 、 徐 变变形 、 温度变形 、 混凝土 自重 、 结构施工分层 、 浇筑 层间歇 、 施工顺序 、 施工 时
5、段 、 气温( 年温度变化 、 月 温度变化 以及昼夜温度变化 ) 、 寒潮 冷击 、 风速 、 表 面保温措施、 内部水管冷却降温措施、 模板种类、 拆 模时间等等。 3 渡槽结构的基本资料 3 1 气温资料 渡槽所在地属 暖温带大陆性季风气候 区, 多年 各月平均气温在仿真计算时拟合为 ( t )=1 1 1+1 6 0C O S 0 4 9 ( t一6 9 4 ) j,( 1 ) 式中 t 为月份。 3 2 混凝土热力学参数 槽身采用 C 5 0 W6 F 2 0 0高性能混凝土 , 其主要热 学参数如表 1 。 表 1 混凝土热学性能试验结果( 试件养护2 8 d J Ta b l e
6、 1 Th e r m p a r a m e t e r s o f t h e c o n c r e t e - 杨 03 ( - 1 8 ) , 女 , 湖北襄阳 人, 博士 , 讲师 , 主要从事 水工结 构工程和 岩土工程 方面 的教学 与研究 工作 , ( 电话)1 3 9 1 3 0 0 7 4 0 81 9 7 9 作者简介 : 张杨( ) ,女 , 湖北襄阳人, 博士, 讲师, 主要从事水工结构工程和岩土工程万向的教字与针 _ i 作, ( 皑估 ( 电子信箱) w w w z h a n g y 1 6 3 c o m 。 第9期 张 杨 等 高强度混凝土渡槽夏季施工防裂
7、措施研究 4 9 根据试验绝热温升数据 , 初始计算绝热温升 的 表达式为 0=4 9 0( 1一e x p ( 一0 3 6 7r ) ) 。 ( 2 ) 渡槽施工 中使用钢模板 , 保温材料用塑料泡沫 板和土工膜。塑料泡沫板用于外贴在钢模板的外表 面 , 土工膜用于铺盖在浇筑仓面, 其热学参数可以通 过试验和反演获得 J 。 根据试验数据拟合 c 5 O w6 F 2 0 0 昆 凝土的抗拉 强度 , 拟合公式为 = 4 1 6 ( 1一e x p ( 一0 4 6 9 X r ) ) 。 ( 3 ) 本文中的允许抗拉强度是抗拉强度除以1 6 5 的 安全系数。 混凝土 自生体积变形为 =
8、一4 0 0( 1一e x p ( 一0 0 5 6 6 M) ) 。 ( 4 ) 3 3 混凝土浇筑方案 渡槽整体结构混凝土的施工进度安排如图1 所 示 , 共分为 2个浇筑层。第一层混凝 土为底板连 同 倒角以上0 2 m一块浇筑 , 其上为第二层。 单位 : m 图 1 槽身混凝土分两层浇筑的施工计划 Fi g 1 S c h e d u l e o f p o u r i n g c o n c r e t e i n t wo l a y e r s o f t h e a q u e d u c t 4计算模型及特征点布置 4 1 计算模型 槽身段长 1 2 0 m, 槽身结构形式
9、为跨度 3 0 m 的 预应力双孔矩形槽 , 两端简支 , 槽身共 2孔 , 每孔净 宽 6 0 m, 侧墙净高 4 6 m 。槽身横向加肋, 顶部设 拉杆 , 中心间距为2 4 5 m。仿真计算以一跨3 0 1T I 的 槽身为研究对象, 计算模型如图 2 所示。计算中直 角坐标系定为 I 坐标原点选在渡槽 中墩的对称面上 , 轴为沿渡槽水流方向, Y轴为垂直于水 流方向, z 轴 为垂直 向上 。 =1 5 0 m处为 方 向的中间面 , Y= 0 0 m处为 Y方向的对称面。 图2 仿真计算有限元网格 F i g 2 Fi n i t e e l e me n t m e s h f o
10、 r t h e s i mula t i o n 4 2 水管及特征点布置 考虑到渡槽主梁的结构尺寸相对较大, 在每根主 梁内沿纵向埋设 2排冷却水管, 水管布置如图3所 示 。 图 3主梁水管布置 Fi g 3 La y o u t o f p i p e s i n th e ma i n g i r d e r 工况计算分析中涉及 的各特征点在计算模型中 的具体位置如图4 所示。 图 4槽身特征点布置 Fi g 4 La y o u t o f t y p i c a l p o i n t s o n t h e a q u e d u c t b o d y 其中特征点 1 , 2
11、为底板 的中心点和表面点 , 特 征点 3 , 4为槽身混凝土结构尺寸最大的主梁的中心 点和表面点 , 特征点 5一l 0为槽身 中墙上 3个不 同 高程的 中心点和表面点; 特征点 1 1 , 1 2为顶板中心 点和表面点。 5 计算工况与结果分析 在渡槽结构中, 混凝土的应力状态是众多影响因 素共同作用的结果, 但温控防裂的关键在于施工期各 部位混凝土的应力分布情况及所承受的最大拉应力 的大小。本文提供了2 个典型计算工况, 并给出具体 分析( 计算结果中以第一主应力 来分析) 。 工况 l 的计算条件: 按照施工计划, 混凝土开始 浇筑时间为 7月 1日。施工现场采用钢模板, 侧模 7
12、d 拆模, 槽身承重模板和支架按规范要求, 约 3 0 d 5 0 长江科 学院 腕报 拆摸。浇筑温度在 日均气温 的基 础上加 5 , 混凝 土刚浇筑 3 d内考虑 7 5 的昼夜温差 。 工况 2的计算条件 : 在工况 1的基础上 , 每根主 梁内部埋设 2根铁质水管 , 混凝土浇筑后通2 0 0 的冷却 水对 主梁 内部进 行导 热 降温 , 通水 时 间为 3 d 。第二层混凝土施工完后 , 在仓面覆盖一层土工 膜进行保温 , 保温时问为 5 d 。 5 1 工况 1温度场与应力场计算结果分析 由于在夏季施工 , 环境温度高 , 混凝土的浇筑温 度高且相对其它季节散热慢 。由图 5可见
13、 : 主梁 中 心特征点 3在浇筑完毕后 2 d , 温度达峰值7 3 4 1 ; 特征点 4位于主梁表面, 浇筑完毕1 7 5 d , 温度达峰 tfl 5 6 2 。主梁的最大 内外温差发生在混凝土浇筑 后2 2 5 d , 为3 3 7 4 , 这样 大的 内外温差很容易导 致早期混凝土表面开裂。 8O 70 6O 5O 越4 0 赠 3 0 20 l ( ) O 图 5工况 1特征点 3。 4的温度历时 曲线 Fi g 5 Ti m e - h i s t o r y c u r v e s o f t e m p e r a t u r e a t p o i n t 3 a n d
14、 4 i n c a s e 1 第二层混凝土的浇筑时 间为 7月下旬 , 浇筑温 度比第一层要相对低一些 。墙体中间高程中心点和 表面点在混凝土浇筑后 1 7 5 d , 温度分别达峰值 , 分 别为5 3 9 7 , 4 3 3 0 。由图 6可以看 出, 顶板中心 特征点 1 1在混凝 土浇筑后 1 7 5 d 温度 达峰值 , 为 5 4 8 2 c ( = , 由于昼夜温差的影 响 , 最大 内外温差发生 在混凝土浇筑后1 5 d , 为1 3 5 5 。 时 1 日 J d 图6 工况 1特征点 1 1 , 1 2的温度历时曲线 Fi g 6 Ti m e - h i s t o
15、ry c u r v e s o f t e m p e r a t u r e a t p o i n t 1 1 a n d 1 2 i n c a s e 1 从第一层? 昆 凝土典型点的应力历时曲线来看, 由于仿真计算中考虑了 7 5 昼夜温差的作用, 底 板表面特征点 2在第一层混凝土浇筑后1 5 d 拉应 力达 1 3 6 MP a , 比 当时 的 允 许 抗 拉 强 度 超 出 了 0 2 M P a , 但小于混凝土材料的抗拉强度 , 有 可能会 出现早期的表面裂缝 , 在施工 中应采取适 当的温控 措施。主梁部位早期 的内外温差最 大, 因此 在混凝 土浇筑后 的2 2 5
16、 d , 八字形倒 角部位 的特征点 4的 拉应力达2 6 8 MP a ( 见 图 7 ) , 超出 了当时的抗拉强 度0 3 8 MP a , 该部位很可能出现早期表面裂缝。主 梁内部特征点 3在混凝土浇筑后的温升 阶段受压 , 最大压应力达 一1 1 8 MP a , 此后随着混凝 土龄期 的 增加 , 压应力逐渐转化为拉应力 , 同样 由于加层后受 上层混凝土热胀的影响, 约在龄期 2 2 d时出现最大 拉应力3 5 6 MP a ( 见图 7 ) , 比当时的允许抗拉强度 大1 1 MP a 。此后 , 混凝土温度趋于稳定 , 拉应 力也 稳定在2 0 MP a 左右 。 t j l
17、H J d 图 7工况 1特征点 3 , 4的应力历时 曲线 Fi g 7 Ti me hi s t o ry c ur v e s of s t r e s s at po i nt 3 a nd 4 i n c as e 1 第二层混凝土各特征点 的应力大小和变化规律 相似 , 早期中墙表面特征点 8在混凝土浇筑后 1 5 c l 应力达最 大值 , 为 1 1 5 MP a , 小 于当时允 许抗拉 强 度 , 顶板表 面特征点 l 2在混凝 土浇筑后1 5 t 1 应 力 达最大 , 为1 3 0 MP a ( 见图 8 ) , 比当时的允许抗拉强 度大0 1 4 MP a 。后 期墙
18、体混凝 土 内部 的拉应 力最 大值发生在混凝土浇筑后 6 d , 达1 7 8 MP a , 小于 当 时允许抗拉强度 , 顶板内部特征点 1 1在后期 的最大 拉应力为1 9 3 MP a ( 见图 8 ) , 也小于当时混凝 j : 的 允许抗拉强度 。 ( ) 5 l 0 1 ) 2 U 25 j 0 j 4 0 时 Ih j d 图 8 工况 1特征 点 1 1, 1 2的应力历 时曲线 Fi g 8 Ti m e - h i s t o r y c u r v e s o f s t r e s s a t p o i n t 1 1 a n d 1 2 i n c a s e 1
19、 由以上分析可以看出 : 夏季浇筑若不采取任何 温控措施, 在主梁、 墙体、 顶板内部混凝土温度都很 高 , 从而形成较大的内外温差和温降幅度 , 混凝土很 第9期 张 杨 等 高强度混凝土渡槽夏季施工防裂措施研究 5 l 容易出现裂缝 。 5 2 工况 2温度场计算结果分析 由图 9可以看出 : 预埋水管通水冷却后 , 主梁内 部混凝土的温度峰值大大降低 , 如主梁中心特征点 3的温度 由工况 1中的7 3 4 1 , 降为3 9 3 0 c I = , 消峰 幅度为3 4 1 1 。这一结果表 明铁管具有很好 的导 热降温效果 , 大大降低了混凝土内部最高温度、 早期 的内外温差及后期的温
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