不同养护时间对混凝土温度和应力的影响.pdf

第 3 4卷第 5期 2 0 1 2年 5月 人民黄河 YELL0W RI VER VO 1 3 4 No 5 Ma y， 2 01 2 【 水利水 电工程 】 不同养护时间对混凝土温度和应力的影响 马跃先， 李政鹏 ， 曲晓宁， 边永欢 ( 郑州大学 水利与环境学院， 河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ) 摘要： 针对混凝土表面养护问题， 运用有限元分析软件 ， 结合实例对比计算不同养护时间对某闸墩底板混凝土温度场、 应力场的影响。结果表明： 该工程混凝土养护时间为7 d时可以达到较好效果。选取合适的养护时间不仅可以降低其 早期 内外温差和表面温度应力， 避免温度裂缝的出现 ， 还可以节约成本， 加快施工进度。 关键词：混凝土；养护时间；内外温差；温度应力；裂缝 中图分 类号 ：T V 7 4 2 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 2 0 5 0 3 3 I nflue n c e o f Di ffe r e n t Cu r i n g Ti me t o t h e Co n c r e t e Te mpe r a t ur e a n d St r e s s MA Y u e x i a n ， L I Z h e n g p e n g ，Q U X i a o n i n g ， B I A N Y o n g h u a n ( C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c yEn v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ， Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2， C h i n a ) Ab s t r a c t ：F o r t h e i s s u e o f c o n c r e t e s u r f a c e c u rin g ，t h e f i n i t e e l e me n t a n a ly s i s s o f t wa r e wa s u s e d a n d t h e i n fl u e n c e o f d if f e r e n t c u ri n g t i me t o t h e 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 w i t h t h e a c t u a l e x a mp l e wa s c a l c u l a t e dTh e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n c r e t e c a n a c h i e v e g o o d r e s u l t s wh e n t h e c u rin g t i me i s 7 d a y s S e l e c t i n g a a p p r o p ria t e c u r i n g t i me c a n n o t o n l y r e d u c e t h e e a r l y i n n e r o u t e r t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e a n d s u rfa c e t h e r ma l s t r e s s t o a v o i d t h e e me r g e n c e o f t e mp e r a t u r e c r a c k s ，b u t a l s o s a v e c o s t s a n d s p e e d u p t h e c o n s t r u c t i o n s c h e d u l e Ke y wo r d s ：c o n c r e t e ；c u rin g t i me ；i n n e r o u t e r t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e ；t h e r ma l s t r e s s ；c r a c k 水闸体积较大 ， 结构形式复杂， 而冬季环境温度较低 ， 冬季 施工易因混凝土内外温差过大而产生温度裂缝。温度控制常 用 的方法 为混凝土表面养护保温 ， 表面养护保温 可以减少外界 环境温度变化对大体积混凝土的影响。田振华等模拟了温 度骤降对大体积混凝土表面温度应力的影响， 马跃峰等 阐述 了不同表面保温措施对闸墩混凝土温度和应力的影响。关于 混凝土表面养护时间对其温度场、 应力场影响的研究较少， 而 合适的养护时间可以降低混凝土内外温度梯度， 减小温度应 力 ， 避免裂缝出现， 保证混凝土结构安全。笔者运用 A N S Y S 有 限元分析软件模拟混凝土的表面养护 ， 分析了不同养护时间对 其温度场 、 应力场的影响。 1 计算理论 运用 A N S Y S 有限元分析软件建模计算混凝土内部的温度 场， 其实质是热传导方程在特定初始条件及边界条件下的求 解。采用三维瞬态温度场热传导方程 J ： OT = ( 窘+ 雾+ ) + aooa ( 1 ) l + + ) + ( 1 J a Jr 、 a a v a a 、 式中： 为温度； 0为绝热温升； 。为导温系数 ； r 为时间。 初始条件为 T ( ， Y ， Z ， 0 )=T o ( ， y ， z ) ， 为初始温度。边 界条件分为边界上温度函数已知， 边界上热流密度已知， 假定 经过表面的热流量与表面温度 和气温 之差成正比。当两 种固体( 混凝土与基岩) 接触良好时， 接触面上温度和热流量都 是连续 的。 根据实际情况选定边界条件， 计算温度应力时， 混凝土各 部分温度变化产生的线应变为 O ( TT o ) ( 为热膨胀系数， 为弹性体内任一点的温度值， 为初始温度值) 。物体热膨胀 只产生线应变， 剪应变为0 。计算应力时， 首先求出由热变形引 起的初应变 s 。 ， 并求得相应初应变引起的等效节点荷载 P 。 ( 温 度荷载) ， 然后求出因温度变形而引起的节点位移 ， 由节点位移 可求 出温度应力 。 混凝土浇筑完成后采用表面覆盖保温材料进行养护， 但一 般保温材料的性能与混凝土热力学性质等差异较大， 直接用热 传导方程计算温度场往往得不到合理的结果 。因此笔者采 用等效放热系数法考虑保温材料的作用， 等效表面放热系数 3 1 为 式中： 口为保温材料在空气中的放热系数； h 为保温材料的厚 度； A 为保温材料的导热系数。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 1 - 0 3 作者简介： 马跃先( 1 9 5 7 一) ， 男， 河南南阳人， 教授， 主要从事水电站优化运行 研 究工作 。 通讯作者 ： 李政鹏( 1 9 8 8 一 ) ， 男， 河 南南阳人 ， 硕士研 究生 ， 研 究 方向为 大体积 混凝 土温度控制 。 E ma i l ： l i z h e ng pe n g 88 1 63 c o n 99 人 民 黄 河2 0 1 2年第 5期 2 计算实例 2 1工 程概 况 2 0 0 9年 1 2月， 某水库除险加固工程闸墩底板开始施工， 每 仓浇筑长 2 2 m， 宽 l 4 4 m， 高2 4 i n 。由于混凝土体积较大， 且 冬季环境温度较低， 因此浇筑完成后需做好后期养护， 以避免 因内外温差过大而产生温度裂缝 。 2 2 计算参数选取 ( 1 ) 热学参数。闸墩底板混凝土强度等级为 C 2 5 ， 其配合 比见表 1 。根据试验资料， 并参考相关研究成果， 混凝土导热系 数为 2 2 6 4 6 k J ( m d ) ， 比热为 0 9 1 k J ( k g ) ， 密度 为2 4 2 2 3 6 k g m ， 放热系数为 1 5 1 4 0 0 k J ( m d ) 。 表 1混凝土配合 比 k g 综合考虑经济适用及施工方便等因素， 混凝土表面保温材 料采用聚乙烯泡沫板。聚乙烯泡沫板导热系数 为 3 1 2 k J ( in d ) ， 比热 为 2 5 0 k J ( k g ) ， 密度 为 3 0 k g m ， 放 热 系数 为 1 6 2 1 0 0 k J ( m d ) 。 混凝土浇 筑完成进 行养护 时 ， 保 温材料应 保持湿润 ， 根 据 式( 2 ) 采用加权平均法计算泡沫板等效放热系数为 1 7 2 8 0 k J ( in d ) 。 ( 2 ) 力学参数。混凝 土属脆 性材料 ， 不 出现裂缝 的前提 是 拉应力小于其抗拉强度， 混凝土抗拉强度随龄期变化的经验公 斗 ， 5】 R r ( t ) =0 8 R l f、 ( 1 g t ) ” ( 3 ) 式中 ： ( t ) 为龄期 为 t 时混 凝土 的抗拉 强度 N m m ； R fn 为混 凝土 2 8 d龄期时的抗拉强度， N m m ， 根据资料取 1 7 8 N m in ； t 为龄期 ， d 。 混凝土不 同龄期时的弹性模 量为 E ( t )=E o ( 1一e ) ( 4 ) 式中： E( t ) 为龄期为 t 时混凝土的弹性模量 ， MP a ； E 。 为混凝土 2 8 d龄期 时的弹性模 量 ， M P a ， 取 2 8 x 1 0 MP a ； t 为 混凝 土龄 期 ， d 。 2 3模 型建 立 运用 A N S Y S有限元分析软件建模计算时考虑下部基岩的 影响， 四周边界取绝热边界条件 ， 混凝土表面养护材料与空气 接触形成热对流边界。四周通过钢模板和空气进行热交换 ， 近 似处理为第三类边界条件， 但由于钢模板的导热系数较大 ， 基 本 卜 没有保温作用， 因此不考虑钢模板的保温效果。加载计算 时间 为 2 1 d 。 为 了减小边界条件引起的误差， 建模计算时， 纵向顺水流 从老闸墩底板向下游取 3 0 m， 横向取每仓混凝土底板浇筑宽度 的 2倍 ， 即 2 8 8 m， 基岩深度取 3 0 m。 为了确保仿真模拟准确 ， 在保证计算速度的前提下， 有限 元网格划分尽可能较密。底板混凝土温度场分析时采用 S O L I D 7 0六面体 8节点等参单元， 该单元每个节点有一个温度 自由 度。应力计算时将 S O L I D 7 0单元转换为 S O L I I M5单元， 并将前 1 00 计算温度值作为荷载施加于单元节点上。单元划分完成后 ， 对 基岩及混凝土单元赋予相应的材料属性， 建立约束后 ， 便可进 行加载计算。 2 4 模型计算及分析 模拟分析同等条件下养护时间对混凝土温度场、 应力场的 影响。混凝土的裂缝主要是内外温差过大， 温度梯度过高造成 的， 因此主要计算分析混凝土的内部温度、 表面温度、 内外温差 及表面应力等。取混凝土表面养护时间为5 、 7 d两种方案进行 对 比。 ( 1 ) 温度场计算结果。混凝土养护5 、 7 d ， 混凝土温度随时 间的变化见图1 。可以看出， 混凝土表面养护 5 d及 7 d ， 中心 点最高温度值分别为 4 3 1 和4 4 2。原因是， 养护时间越 长 ， 其保温效果越好， 内部最高温度也随之升高。表面点最高 温度值分别为 3 5 1和 3 5 7， 达到峰值后温度迅速下降， 鼹 表商点温度下降速率 显快十中心点黼腰。晾 是， 境温 度较低 ， 表面点混凝土直接与空气接触， 而混凝土是热的不 良 导体， 导热系数较小， 表面温度向中心传递较慢。混凝土养护 5 d ， 其内外最大温 差 为 2 2 6 ， 养护 7 d ， 其 内外最 大温 差 为 2 1 2， 降幅为 6 ， 表明延长养护时间可以降低混凝土内外 温差， 降低温度梯度。 、 。 。 图 1 混凝 土内外温度值 ( 2 ) 应力场计算结果。混凝土养护 5 、 7 d ， 混凝土应力随时 间的变化见图2 。可以看出， 混凝土表面养护5 d ， 表面拉应力在 第6 d为 1 2 5 MP a ， 第7 d为 1 3 6 MP a ， 均超出了相应龄期下的 抗拉强度， 极有可能产生裂缝。混凝土表面养护 7 d ， 表面最大 拉应力为 1 3 5 M P a ， 在相应抗拉强度之内。两种情况下， 混凝土 表面拉应力前期增长较快， 达到峰值后均呈下降趋势， 且均在 1 8 d 后趋于稳定。混凝土表面养护 7 d情 况下其后期 温度应 力 稍大， 原因是早期内部温度稍高， 后期温度降幅较大。 04 嘎 图 2 混凝土表面点应力值 通过分析可知， 延长混凝土养护时间可以减小混凝土表面 温度应力 ， 但养护时间过长， 既增加工程造价， 又影响施工进 度， 合理的养护时间不仅能保证混凝土拉应力不超过抗拉强 度 ， 避免裂缝 出现 ， 还可 以节约成本 ， ( 下转第 1 0 3页) 如 m O 踞 0 8 6 4i 6 4 2 0 加 M 吣 0 R目 人 民 黄 河2 0 1 2年第 5期 在 V B编程环境下， 通过引用对象库“ Mi c r o s o Wo r d l 1 0 O e e t L i b r a r y ” 可以调用 Wo r d ， 将生成 的图形按一定顺序直接 导入 Wo r d ， 并且可以利用编程加入适 当的文字说明。这样便 无需考虑模块的图形打印功能， 可以直接将其交给 Wo r d处理 ， 而且其功能比独立开发的功能更强大。 3 工程实例 西南某建设中的混凝土拱坝在5 、 1 5 、 1 6 、 2 3 坝段全断面 埋设分布式光纤 ， 在线监测施工过程 中混凝土的温度变化情 况， 为大坝混凝土浇筑温度控制提供基础数据。笔者结合该混 凝土拱坝的光纤测温数据， 利用上述各技术方法， 设计开发出 大坝垂直向温度分布图形绘制功能模块， 用户图形交互界面见 图2 ， 图形输出到 Wo r d中的效果见图3 。 谶畴秘薯谭释叠 竹 - 一一 日翻 l 坦厨 啬 幂l 平 煳蠢I 翻 锄 l 卜T 叶0 I j l 5 2 2 l 档3： = 一 ： 骑 i _鲥 瓤 g 一 警 雠 醚 一 一 l 卜 T l ： o o ls l 3 封 2 _t 1 T ， “一 7 - l ： l I 2 1i 1 3 l l T ， I i l i l 2 3 i ： _旷 眭 学 一 莉： 氯r 辑 一 秘拄 躺 趟 一一一 一 一 一_ _ “ 一， 一 I l 吖 鳓 l 加 t 1 3 9 0 哩 3 一 l I _ I ： l l 5 3 4 l3 3 辩止日： 籀莉辈群筲 嚣学一 耐 = ： 百 傅 一 一 一 一 _萄 ii 平 1 i嘶 随恼硒 黼鼬l h 1 t誊 礓馥姥辑搬骼侮曩 瞅 一 6 - Y 辘 琏舶趣抽封蕊 I ： 釉 鞫黼时 分 -“ 镰 缱 热 姻 瓤 端描荪漕嚣球 ) t b 盘 k ： 瞳 t ， j l h | 、 并 翰齄舶 一 j - _ 确地 蚕 l扫 婶 d ” n *K t，tt 忡 I pH _柚纳 自 氇 I 1 。 高程 ( m ) 4 4 67 4 5 8 4 4 9 4 4 0 4 3 1 4 2 2 4 1 j 4 O4 图2用户图形交互界面 l l 8 蝴l 区 1 7 # 灌区 l l 6 l 灌区 、 l 5 # 灌区 l # 灌区 ) ( 盖重豳 l j 辩l 区 ( 过渡围 1 2 罐 区 、 ( 周冷因 l 1 # i 区 、 ( 同冷豳 ， ， l 槲灌区 侮攫西 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 如温度 ( ) l 5 坝段备仓平均温度在时刻2 0 1 卜7 l O ： 0 o 垂蛊向 分布图 4 结语 图 3 图形输出到 Wo r d中的效果 笔者基 于模块 化设 计思 想 ， 采用 A D O访 问与查 询 A c c e s s 数据库技术以及基于V B编程语言实现图形绘制与导出功能的 技术方法 ， 结合某建设中的混凝土拱坝光纤测温数据， 设计并 开发了混凝土拱坝垂直向温度分布图形绘制功能模块。所开 发的绘图模块在该工程施工期得到了很好的应用 ， 对处理和分 析光纤测温数据提供了一种便捷的手段。 参考文献 ： 1 蔡德所 光纤传感技术在大坝工程中的应用 M 北京： 中国水利水电出版 社 ， 2 0 0 2 2 蔡德所， 戴会超， 蔡顺德， 等 分布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场 试验研究 J 水利学报 ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 8 8 9 1 3 鲍华， 蔡德所， 唐天国， 等 R C C坝温度监测光纤传感网络设计与埋设工艺 研究 J 水力发电 ， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 2 ) ： 2 6 2 9 4 汤荣平 分布式光纤测温系统在小湾拱坝温度监测中的运用 J 大坝与安 全 ， 2 0 0 7 ( 6) ： 4 34 6 5 蒋剑 ， 郭法旺 分布式测温光纤在光照大坝碾压混凝土中的应用探讨 J 水力发电 ， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 3 ) ： 5 5 5 8 6 周建 兵 基于分布式光纤测温的混凝土坝温控反馈 分析 D 宜 昌： 三峡 大 学 ， 2 0 1 1 7 李婷婷， 顾冲时， 周红 大坝群安全监控管理系统中监测点的动态管理 J 人民黄河 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 5 ) ： 6 9 7 0 8 蒋海洲， 吴中如 A D O技术在大坝安全监测中的应用 J 水电能源科学， 2 0 0 2 ， 2 0 ( 2 ) ： 4 74 9 9 C h l e s P e t z o d Wi n d o w s 程序设计 M 5版 北京： 北京大学出版社， 2 0 0 0 【 责任编辑张华岩J 】 】 ( 上接第 1 0 0页) 加快施工进度。由计算结果可知， 该工程混凝 土养护时间为 7 d时可 以达到较好效果 。 3 结语 在同等条件下仿真模拟养护时间对混凝土温度场、 应力 场的影响， 通过计算选择合理的养护时间， 达到既保证混凝土 温度应力符合要求 ， 又可以节约工程造价的 目的。模拟计算 结果表明， 采用混凝土表面养护保温的方法可以防止温度裂 缝 的出现 ， 既简单 、 方便 ， 又可满足防裂要求。不同种类的保 温材料其保温性能不尽相同， 工程中应根据实际情况选择合 适 的保温材 料 。 参考文献 ： 田振华， 郑东健， 姚远， 等 大体积混凝土寒潮期温度应力及表面保温分析 J 水 电能源科学 ， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 5 ) ： 9 3 9 5 马跃 峰， 朱岳明 表面保温对施工期 闸墩混凝 土温度 和应力 的影 响 J 河 海大学学报 ： 自然科学 版 ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 3 ) ： 2 7 6 2 7 9 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 张 国新 非均质材料温度场 的有限元 算法 J 水 利学报 ， 2 0 1 3 4 ( 1 0 ) ： 7 1 7 6 陈晓光 水工混凝土温度应力分析和温控防裂研究 D 郑州： 郑州大学， 2 00 7 【 责任编辑吕艳梅 】 1 03 l 2 3 4 5