高温差下混凝土板温度翘曲试验研究.pdf

1 2 低温建筑技术 2 0 1 4 年第 l 2 期( 总第 1 9 8 期) 高温差下混凝土板温度翘 曲试 验研究 李永毅 ， 李强 ， 吴士斌 ， 米建军 ， 李忠友 ( 1 中国人民解 放军 9 3 0 5 5部队 。 沈阳1 1 0 0 2 1； 2 沈阳军区空军后勤部 。 沈阳1 1 0 0 2 1 ) 【 摘要】 翘曲应力是引起道面板断裂破坏的一个重要原因， 分别对不同尺寸和不同纤维材料的水泥混凝 土路面板进行了温度翘曲应力试验研究， 得到了尺寸效应及纤维材料对路面板温度翘曲应力的影响规律， 为混凝 土道面板的工程设计提供参考依据。 【 关键词】 高温差； 水泥混凝土； 道面； 翘曲应力 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 1 2 一 O 3 由于环境变化等因素的影响， 当水泥混凝土道面 板的温度沿板厚不均匀分布时， 混凝土的热胀冷缩将 会 在板 内产生温度翘 曲变形 。翘 曲变形 在受 到 自重 、 地基反力等约束时， 便会产生翘曲应力， 特别是温 度梯度较大时， 翘 曲应力可能接近甚至超过荷载应 力。水泥混凝 土道 面板 在道 路 及机 场跑 道 中应 用广 泛， 温度引起的翘曲应力和荷载应力的共同作用往往 是其断裂破坏 的一个 主要原 因 ， 因而深入 开展 温度翘 曲应力 的相关研究具有重要的工程意义 。 目前水泥 混凝 土道 面板 温 度翘 曲应 力 的研 究有 解析法 j 、 数值法 和试验法 三种方法。其中 试验法的假设和简化条件少 ， 能够更为真实的反应混 凝 土道 面板 温度翘 曲应 力 的实际情 况 ， 然而 当前针 对 软纤维水 泥混凝 土板 等新 式 道 面板 的试 验研 究还 相 对较 少。文 中通 过对 不 同尺 寸 的软纤 维 水泥 混凝 土 板、 改性聚酯纤维水泥混凝土板和钢纤维 +改性聚酯 纤维 水泥混凝土板 的温度 翘 曲应力 试验研 究 ， 分 析得 到相应路面板温度 翘 曲应 力的变化 规律 ， 提 出了减 小 4结 语 ( 1 ) 文中寒冷地 区混凝 土重力 坝在 自然 浇筑条 件下不通冷却水管冷却无法满足温度控制及防裂标 准的要求， 而采取适当的保温措施与通水冷却相结合 的方法能够很好的满足温度控制及防裂标准 的要求。 通过论证分析说明文中拟定的温控措施较为合理。 ( 2 ) 文中使用的方法计算周期短、 结果精确， 可 为寒冷地 区其他类似工程提供参考。为进一步优化 混凝土重力坝温控措施， 该工程冷却水管参数优化问 题 ， 浇筑温度、 浇筑层厚等问题有待深入讨论。 参考 文献 1 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 第二版 温度翘 曲应力 的方 法 ， 为混凝 土道面板 的工程 设计 提 供参考依据。 1 实验材料及仪器 试 验道面板 采用 三 种不 同纤维 掺量 的 水 泥混 凝 土板 ， 即软纤 维水 泥混 凝 土板 ( 改 性聚 酯纤 维 +聚丙 烯腈纤 维) 、 改性聚酯 纤维水泥混凝 土板 、 钢纤 维 +改 性聚酯纤维水泥混凝土板。试验道面板尺寸规格分 为两种 ， 分别 为小板 3 7 5 X 4 0 m和大板 3 7 5 8 0 m， 厚度 为 3 2 0 m m， 抗 折 强 度 为 5 0 MP a ， 抗 冻 等 级 为 F 3 0 0 ， 抗渗等级超 过 P 1 2 。试验地点 位 于甘肃 酒 泉地 区， 该地区 8月份和9月份 日平均温差分别为 1 5 0 C 和 1 5 4 。 试验用应变片 的型号为 S z 1 2 0I O O A A， 电阻值 为 1 2 0 0 2 n， 灵敏系数 2 0 1 80 1 ， 栅长 X栅宽 = 3 X 1 0 0 ， 工 作 温 度 为 一3 0一 +6 0 。应 变仪 采用 Y E 2 5 3 8型静态应变测量处理仪 ， 具有测量热电势 自动 补偿 的动 能 ， 具 有 单片桥 路补偿 及 自动调 零功 能 ， 预 热时间短 ， 测量精度高 ， 稳定性能好。 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 1 2 ： 3 8 5 6 2 2 凌骐 ， 黄淑萍 严寒地 区混 凝土坝表 面保 护材料 的敏感性 研 究 J 水 电能源科学 ， 2 0 0 9， 2 7 ( 4 ) ：1 1 71 2 0 3 邵战涛 ， 朱岳 明， 等 高寒 地区混凝 土重力 坝温 控 防裂 研究 J 三峡大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 1 ) ： 6 8 4 朱伯芳 考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程 J 水利学报 ， 1 9 9 1 ， ( 1 2) ： 4 3 4 9 5 黄淑萍， 等锦屏一级水电站大坝混凝土浇筑4 5 m层厚关键 技术研究 R 河海大学 ， 2 0 1 1 ， 8 ： 1 21 7 收稿日期 2 0 1 4 0 8 - 0 8 作者简介 丁海玲 ( 1 9 9 0一)， 女 ， 江苏连 云港 人， 硕 士研 究 生 ， 研究方 向： 计算力学与工程传真。 李永毅等： 高温差下混凝土板温度翘曲试验研究 1 3 温度变化引起水泥混凝土道面板发生翘曲变形， 其应变最大值出现在板表面位置， 因此采用在混凝土 板表面粘 贴应 变 片 的方法 测定 板 的应 变。不 同尺寸 板测点布置如图 1 所示 ， 软纤维板、 改性聚酯纤维( p p 纤维) 板和钢纤维 +聚酯纤维板的测点布置如图 2 所示 。 l 1 3 -7 7 3 1 1 2 8 ； 5 8 3 7 5m 板 4 3 7 5 m 板 9 -1 1 0 6 图1 不同尺寸板应变片粘贴示意图 p p 纤维 6 2 L 5 上 l l l 3 - 9 1 广 7 T3 1 2 l O 8 4 钢纤维+ p 维 聚丙烯腈 p p 纤维 图2 不 同材料板应变片粘贴示意图 2试验数据处理 与分析 2 1 不同尺寸 的混凝土板试验结果 大板和小板上各测点的应变值测量在 8月下旬 ( 8 月 2 0日3 1日) 进行， 选取道面板在高温阶段到 降温阶段( 即上午 1 1 ： 0 0点到晚上2 3 ： 0 0之间) 的应变 值， 测量后均值化得到每时刻的平均应变值。混凝土 在发生温度翘曲过程中， 近似认为应力应变关系曲线 为线性关系， 因而平均应变值的变化可以间接反应翘 曲应力的变化规律。图3至图 8 表示大板和小板上各 点 的平均应变值 。 时间 图3 火板的6 和小板 l O 群应变片的应变值 图3表明大板与小板板中的 y 轴方向的应变变化 规律总体相 同， 仅在升温阶段有所不同。在升温阶 段 ， 小板易受外界影 响 ， 升 温速度相对 较快 ， 表 现为应 变片的应变值较大板提前达到峰值。图4表明大板和 小板板 中的 X轴方 向的应变 变化规 律基本相 同 ， 存在 的较小差异主要是受天气风沙的影响产生。图 5表明 大板和小板板角处 Y轴方向上的长度， 温度变化规律 及厚度完全相同， 其应变变化规律也完全相同。 2 O 0 0 l 0 o 0 O 翅 一 1 0 0 0 2 0 ( ) 0 3 0 ( ) 0 2 o 0 O 毯 一 ： 0 l 0 00 茹 V 时 间 图4 大板的5 一 和小板9 应变片的应变值 时间 +8 # 图5 大板的4 和小 板8 应变 片的应变值 5 0 【 ) 0 0 倒 一 5 0 0 0 馘 一 一 时间 十3 # 一7 # 图6 大板的3 - 和小板7 应变片的应变值 时间 一 图7 大板的2 - 和小板 l 2 - 应变 片的应变值 4 _ -l # 时 间 +l l # 图8 大板的1 - 和小板 1 1 应变片的应变值 图6表明大板和小板在 X轴方向的应变值与图5 一 致， 在热传导方向上表现出尺寸大小的差异， 小板 的尺寸小， 热传导路径短， 大板的尺寸大， 在热传导路 径上 ， 表现为升温阶段的应变值稍有不同。图 7表明 在Y轴方向上， 大板和小板的应变值与图3较为一致 ， 除去因环境影响的因素引起的波动外， 大板与小板的 应变值较接近。图8表明在 轴方向上， 大板和小板 明显的不同， 主要是由于传热路径的影响引起的升温 的不 一致 。 通过研究图3 8发现， 由于大板和小板的尺寸大 小不一样， 从而引起在热量传导路径上的不一致， 出 l 4 低温建筑技术 2 0 1 4年第 l 2期 ( 总第 1 9 8期 ) 现升温的不同步， 引起应变量的差异 ， 这种现象文中 称之为“ 尺寸效应” 。在大板与小板相同长度的方向 上， 热传导的路径一样 ， 基本上没有出现尺寸效应， 在 不同长度方向上， 热传导的路径不一样， 表现出尺寸 效应 。因此 ， 鉴于 该试验 的结论 ， 建议 在 高 温差 环境 的机场道面设计中， 为了减少尺寸效应的影响， 减少 因温度变化引起的道面板变形不一致， 尽量设计尺寸 较 为一致 的道 面板 。 2 2 不 同材料 的混凝土板试验结果 5 0 O 餐一 - 1 5 0 2 0 0 - 2 5 0 1 00 0 餐 I。 I 一 2 0 O - 3 0 0 一 3 # 时间卜i 1 # 图9 道面试验板I t 、3 一 、i 1 一 应变片的应变值 ， 一 时间 4 社 一 1 2 # 图l O 道面试验板2 、4 ， 、1 2 应变片的应变值 改性 聚酯纤 维板、 软纤维板 和钢纤 维 +聚酯纤 维 板各测点的应变片应变值是在 9月上旬( 9月 11 0 日) 的上午 1 2 ： 0 0点到晚上2 0 ： 0 0 点之间测得， 将各测 点的应变值均值化得到平均应变值。图91 2分别表 示 改性聚酯纤维板 、 软纤维 板和钢纤 维 +聚酯纤维 板 的平均应变值 。 图 9表明改性 聚酯 纤维板 、 软纤维 板 和钢纤维 + 聚酯纤维板在板中x方向上的应变值变化较为平稳， 基 本上与环境温度 的规律一致 ， 表现 为正弦 曲线。三 种板材相 比， 软纤维板( 3 应变 片 ) 对环境 温度 的变化 反应没有改性 聚酯 纤维板 板 ( 1 应 变 片 ) 和钢 纤维 + 聚酯纤维板( 1 1 群 应变片) 敏感， 而钢纤维与聚酯纤维 板对环境温度的变化最为敏感 ， 这主要是 由于掺加钢 纤维提高 了水泥混凝土的导热性能。图 91 2所示板 中和板各 方 向上 的应 变均 呈正 弦 曲线 变化 。不 同材 料板 的温度敏感性 在不同位置上 略有差 异 ， 但 总体 上 温度敏感性由低到高依次为软纤维板 ， 改性聚酯纤维 板板 ， 钢纤 维与聚酯纤维板 。 3结语 ( 1 ) 由于受环境气候的影响， 道面板表现出受 温度影响的尺寸效应。在热的传播方向上， 热传导路 径的不同， 导致温度应变值出现差异。 1 5 0 1 o o 5 0 餐 一 8 1 0 H 0 1 5 0 2 0 o - 2 5 0 ： 、 +5 # J 。 。I7 # 嘧 一 一 = 图1 1 道面试验板5 、7 、9 应变片的应变值 3 0 o 2 o o 1 0 0 餐0。 -1 0 0 2 ( ) o 一3 0 o ： = = = 1 3 ： 0 o l 5 ： 9：o o 2 时间 图l 2 道面试验板6 、8 、1 0 应变片的应变值 ( 2 ) 道面板的应 变随时间 的变 化与环境 温度 的 变化规律一致 ， 满足正弦 曲线规律。 ( 3 ) 由于 掺加 料 的不 同， 混 凝土 道面 板 的温度 敏感性有所不 同， 温度 敏感性 由低 到高依 次为 软纤维 板 ， 改性聚酯纤维板板 ， 钢纤维与聚酯纤维板 。 参考文献 1 李祖伟 水泥混凝土路面的温度翘曲与翘曲复合应力 J 重 庆交通学 院学报 ， 2 0 0 2， 2 1 ( 4) ： 2 42 6 2 H _M We s t e r g a a r d A n a l y s i s o f s t r e s s e s i n c o n c r e t e p a v e m e n t s e a H s G l b y v a ri a t i o n of T h e o ret i c a l z P u b l i c R o a d s ， 1 9 2 7 ： 2 0 1 2 0 5 3 R D B r a d b u r y R e i n f o r c e d c o n c ret e p a v e me n t Z w i r e r e i n f o r c e me n t i n s t i t u t e ， W a s h i n g t o n， D C， 3 441 4 周 虎鑫， 陈荣生 ， 何兆益 水泥混凝土路 面温度 翘曲应力分 析 J 重庆交通学院学报， 1 9 9 5 ， 1 4 ( 4 ) ： 2 8 3 5 5 谈至明 ， 周玉敏 ， 刘伯 莹 水 泥混凝 土路 面板温 度翘 曲应 力 J 公路 ， 2 0 o 4， 1 1 ( 1 1 ) ： 6 36 7 6 W H a n s e n， Y We t ， D L S mi l e y ， Y P e n g ， E A J e n s e n E ff e c t s o f p a v i n g c o n d i t i o n s o n b u i l ti n c u r l i n g a n d p a v e me n t p e rfo r ma n c e J I n t e r n a t i o n al J o u rn al of P a v e m e n t E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 7 ( 4 ) ： 2 912 9 6 7 覃峰， 黄琼念， 包惠明， 何壮彬 橡胶粉水泥混凝土路面板与 温度应力分析研究 J 混凝土 ， 2 0 1 0 ， ( 7 )： 6 56 8 收稿 日 期】 2 0 1 4 0 7 2 5 作者简介 李永毅 ( 1 9 6 9一) ， 男 。 辽宁辽 中人 ， 高级 工程师 从事机场施工及材料方面研 究。