混凝土浇筑坯层对坝体温度应力场的影响.pdf

第43卷第21期 2O12年11月 人民长 江 Y angt ze River V 01．43．N o．21 N ov．．2012 文章编号：1001—4179( 2012)21—0066—04 混 凝 土 浇 筑 坯 层 对 坝 体 温 度 应 力 场 的 影 响 谢微，董福品，刘虎虎 (华北电力大学可再生能源学院，北京102206) 摘要：采用有限单元法对大体积混凝土结构施工期温度应力场进行仿真计算，研究混凝土浇筑坯层厚度和坯 层间歇时间对温度应力场的影响。计算结果表明，浇筑坯层对温度应力场的影响与混凝土的水化热反应速率 有关。用n表示混凝土水化热达到一半时的龄期，当n值较小时，最大拉应力随着坯层厚度的增大而增大，随 着坯层间歇时间的增大而减小。当n值较大时，最大拉应力随着坯层厚度的增大而增大，但随着坯层间歇时间 的增大，有的计算工况中最大拉应力先增大后减小，有的计算工况中最大拉应力一直增大。根据计算结果，列 出了需要在温度应力场仿真计算中考虑浇筑坯层的计算工况。 关键词：有限单元法；浇筑坯层；坯层间歇时间；温度场；温度应力场 中图法分类号：TV 315文献标志码：A 1研究背景 ([日]+士[R]){丁 。}+击[R]{丁 。}+{F。}=。 混凝土坝通常采用分层浇筑、间歇上升的施工方 法，每个浇筑层又分成若干浇筑坯层‘1o，浇筑坯层间 隔一定的时间进行施工。由于浇筑坯层与外界存在热 交换，浇筑坯层的施工过程对混凝土坝的温度场具有 一定的影响，因此，浇筑坯层的设置也会影响到坝体的 温度应力。目前，在大体积混凝土结构的温度应力场 仿真分析中，虽然考虑了各种边界条件和施工过程的 影响旧。o，但通常都是假定混凝土浇筑坯层是瞬时浇 筑完成的，其影响在以往的温度应力场仿真计算中被 忽略了。 本文采用二维有限元法对温度应力场进行仿真计 算，用c++语言编制了相应程序。计算模型中一个 混凝土浇筑层包含多个混凝土浇筑坯层，仿真计算时 对浇筑块的坯层厚度和坯层间歇时间进行变化，以计 算不同坯层厚度和坯层间歇时间条件下的温度场和温 度应力场分布，分析混凝土浇筑坯层设置对坝体温度 应力场的影响。 2基本理论 温度场的有限元求解方程为 (1) 式中，[引为热传导矩阵；[ 尺]为热容矩阵；{r。}、 {丁川}为节点温度列阵；{F。}为与边界条件和内部 热源相关的列阵。求解式(2)可得各节点在丁。时的 温度{■+。}，然后可求解出温度应变增量{△sl 。在复 杂应力状态下，应力增量与应变增量的关系如下H ]： {△盯。} = [西。] ({△s。}一{田。}一{△s：}一{△s：}一{△s：}) ( 2) 式中，{叼。}为徐变应变；{△占：}为干缩应变；{△占：}为 温度应变；{△占：}为自生体积变形。 有限元法分析的平衡方程： [K ]{△6。}= {△P。}‘+{△P。}。+{△P。}7+{△P。}o+{△P。}5 ( 3) 式中，{△P。}‘为外荷载增量；{△P。}。为徐变荷载增 量；{△P。}7为温度荷载增量；{△P。}o为自生体积变形 荷载增量；{△P。}5为干缩荷载增量。 根据式(3)可解出各节点的位移增量{△6。}，由式 收稿日期：2012—06—20 作者简介：谢微，女，硕士研究生，主要从事大体积混凝土温度仿真分析研究。E—m ail ：xi ew ei 3016@ sina．com 第2l 期谢微，等：混凝土浇筑坯层对坝体温度应力场的影响 67 (2)可解出各单元应力增量{△伊。}，累加后，得到各单 元应力： {盯。}={△盯。}+{△盯：}+⋯+{△矿。}=y{△盯。} (4) 3计算模型及参数的选取 3．1 计算模型 混凝土坝浇筑时采用分缝分块方法，坝段宽度一 般为12～20m ，也有达到24m 左右的"]，取坝体的一 个浇筑块进行分析，考虑浇筑层厚度日=1．5，2．0， 3．0 m ，浇筑层层面间歇7d的工况。根据施工规范对 混凝土浇筑坯层厚度和间歇时间的规定，分别计算坯 层厚度6为0．3，O ．4，O ．5m ，坯层问歇时间f 为O，3，6， 12，18，24h的工况，其中￡=0代表不考虑浇筑坯层时 的仿真模型。具体的模型方案信息 ： 如表1所列。 1 3．2 计算参数 釜： 混凝土和岩基的参数如表2所明： 列。 { 4浇筑坯层对温度场和温度应 力场的影响 4．1浇筑坯层间歇时间的影响u 坯层间歇时间f取o，3，6，12，器 18，24h，分别计算n=1，2，3，4时6 种计算工况下的温度场和温度应力 场，最高温度随t 的变化曲线如图1 所示( 图中括号中数字分别表示浇 筑层厚和浇筑坏层厚)，最大拉应力 随￡的变化曲线如图2所示。由图l 可知，当n=1时，最高温度随着坯层耋 间歇时间的增大而减小，在￡<6h禹 范围内，最高温度的减小量较大；当“ n=2，3，4时，最高温度随着坯层间 部的温度要高于前者，由于n较大，水化热发展慢，坯 层施工过程中下部的温度降低幅度小，而上部的温度 高于前者较多，在后期浇筑层热量传导后，导致浇筑块 的最高温度高于前者。 表l 计算方案信息 m 计算浇筑层坯层计算浇筑层坯层 方案厚度抒厚度6方案厚度日厚度6 l1． 5O．342．00．5 21． 5O．553．0O．3 32．O0．463．0O．5 由图2可知，当n=1时，最大拉应力随着坯层间 歇时间的增大而减小，在￡<6h范围内，最大拉应力 的变化量较小；当n=2，3，4时，最大拉应力随着坯层 间歇时间的增大，在有的方案中最大拉应力先增大后 减小，而在有的方案中最大拉应力一直在增大，在￡< 时间／h (a)n=l ：i!：! !：i：!里!／ (2．o。．o4。)!兰二旦!二旦：—．!里羔∑!! ：!! ：!：型／( 2．o。．o4m )旦些旦当 ——_=——— ＼ 一 一 !!：!竺：! ：!竺2／7 _。过1 5m ，03m )／0(15m ．o5m )／ 时间／h (c)n=3 r’， ’ ’ 、 7 11：壁竺：!：!竺!／(2．o。．。4。)』兰= 旦竺二!二．!．里』监 一一厂—_二一～ 一， 一 I!：j!：!：墅! ! !：! !：! ：亚!／ ． ，一 ． ＼(15010㈨ 一 一 ilh靠 孑 衰 焉 冠i互 五 ’ 18l !!：!竺：!：型／!!：垫!：型∑L兰旦兰。当 芝：： 卜一-—— ——呻—言 嚣霭矿 器斟一扣手t ．．三三若：l 赡15■——}=—声==弓‘==幸=：。2==：=}：=可：=2=曩 14}!! ：i! ：! ：!! !／ !! ：!! ：!：!! !／ {；l———．————。———。—一 图l最高温度随坯层间歇时间的变化趋势 歇时间的增大而增大，在f <6h范 围内，最高温度的增大量较大。一般 认为，考虑坯层散热后，最高温度会 降低，但是，通过多种工况的仿真计主。。 算和比较，发现}昆凝土的最高温度不瘩1。2 完全是在降低，在有的工况下，考虑“n， 浇筑坯层后的最高温度会增大。最高 o 温度增大的原因分析如下：在前期， 由于坯层表面的散热作用，后者浇筑 块下部的温度低于前者，而浇筑块上 坠!!!!：型、 (2om，o．5m) (3O m ，o3m)＼————] _—乏i。jiji焉}。～：一～圭一～：————．—7i—． ‘：．垡业掣业业盟。 ’～一一1 时间／h (c)n=3 图2最大拉应力随坯层间歇时间的变化趋势 弘 朋砭 眩啪m 烈 朋吨他啪咖 S 4 3 2 l 0 I， 兰 ＼ R 倒 珏 f 68人民长江2012年 6 h范围内，最大拉应力一直增大，但变化量较小。分 析图2，将考虑浇筑坯层后最大拉应力的变化量大于 0．05M Pa的计算工况列于表3，这些工况下的浇筑坯 层对温度应力场有较大影响，在温度应力场仿真计算 中需要考虑浇筑坯层的影响。其他工况下，考虑浇筑 坯层后最大拉应力的变化不大，仿真计算时可不考虑 浇筑坯层的影响。 表3需要考虑浇筑坯层的计算工况 浇筑层厚度坯层厚度坯层间歇 最大拉应力 H ／m 6／m 时间￡／h ” 变化量△口。／M Pa 1． 5O，5 2．OO．4 2，O0．5 3．OO．5 18 24 24 4．2浇筑坯层厚度的影响 (1)坯层厚度对混凝土最高温度的影响。由图l 可知，坯层厚度对最高温度的影响也与混凝土水化热 发展速度的表征参数凡有关：n=1时，最高温度随着 坯层厚度的减小而减小；n=2，3，4时，最高温度随着 坯层厚度的减小而增大。还可以看出，坯层厚度越小， 最高温度的变化越大，这是因为浇筑坯层越薄，坯层与 环境的热交换越显著，对混凝土浇筑块的影响越大。 (2)坯层厚度对混凝土温度应力的影响。由图2 可知，最大拉应力随着坯层厚度的增大而增大，且随着 坯层间歇时间的增大，坯层厚度对温度应力的影响增 大。以n=1为例，坯层厚度改变后，最大拉应力的变 化量如表4所列。表中△盯。表示浇筑层厚度日=1．5 m 时，坯层厚度由0．3m 变化到0．5m 的最大拉应力变 化量；△矿。表示浇筑层厚度Ⅳ=2．0m 时，坯层厚度由 O．4 m 变化到0．5m 的最大拉应力变化量；△∥Ⅲ表示 浇筑层厚度日=3．0m 时，坯层厚度由0．3m 变化到 0．5m 的最大拉应力变化量。 表4最大拉应力变化量(n=1) M Pa 项目 f=O}=3h￡= 6 h￡：12hf =18hf =24h △盯-O00210．0092O ．02920．0662O ，0821O ．1055 △矿Ⅱ O ．O O l 7O ．∞24O ．∞89O ．0435O ．0544O ．0619 △盯Ⅲ 0．0026O ．0174O ．0392O ．10310．1417 — 5 结论 (1)浇筑坯层对温度场的影响与混凝土的水化热 反应速率有关：当n值较小时，水化热发展较快，混凝 土的最高温度随着坯层间歇时间的增大而减小，随着 坯层厚度的减小而减小；当n值较大时，水化热发展较 慢，最高温度随着坯层间歇时间的增大而增大，随着坯 层厚度的减小而增大。尤其在坯层间歇时间f<6h范 围内，坯层间歇时间对最高温度的影响较大。 (2)分析坯层间歇时间对温度应力的影响可知： 当n值较小时，最大拉应力随着坯层问歇时间的增大 而减小；当n值较大时，随着坯层间歇时间的增大，最 大拉应力在有的计算工况中先增大后减小，在有的计 算工况中一直在增大。 (3)最大拉应力随着坯层厚度的增大而增大，且 随着坯层间歇时间的增大，坯层厚度对温度应力的影 响增大。 (4)对于表3中所列的计算工况，考虑浇筑坯层 后，有些工况中最大拉应力的变化量大于0．05M Pa， 浇筑坯层对温度应力场的影响显著，建议在这些工况 下考虑浇筑坯层的影响。其他工况下，浇筑坯层对温 度应力场的影响不大，可以不考虑浇筑坯层的影响。 (5) 在实际施工中，当n值较小时，可以通过增大 7 1 0 4 9 3 l 7 9 3 2 7 1 O 2 7 7 3 5 6 4 7 l屹坶 M：兮∞ ∞B吣 M甜％晒 m坫∞M卯 吣饰加 嘶 O 0 0 O O O O 0 O O O O O 0 0 0 O 0 O O O 0 O 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 体”他堪 M坨埔M M n捕 M 6他坞掩他 第21期谢 微，等：混凝土浇筑坯层对坝体温度应力场的影响 69 坯层间歇时间和减小坯层厚度的方法来降低混凝土的 最高温度，从而减小混凝土的温度应力。 参考文献： [1] DL ／T5144—2001水工混凝土施工规范[s]．北京：中国电力出版 社．2002． [2]夏雨，张仲卿，李东阳．混凝土坝施工仿真分析在水工建设中的发 [3] [4] [5] 展[J ]．人民长江，2008，39( 11) ：93—97． 何建平，涂传林．向家坝水电站大体积混凝土温度应力与温度控 制[J]．人民长江，2009，40(11)：20一23． 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．2003． 林继镛．水工建筑物(第四版)[M ]．北京：中国水利水电出版社， 2006． ( 编辑：郑毅) I nnuencesofconcr et e pouri ng bi U etl ayerondamt herm alst r essfi el d X I EW ei ，D O NGFupi n，LI UH uhu (J sc矗ooZ∥尺e凡e似a6kEne增≯，Ⅳor玑c^in口EZec￡ri cPo叫eruni 钟eM i钞，Be扰凡g102206，C^inn) A bs tract： W esi m ulat et het her m alst r essfi el dofm assi V econcr etest ruc t ure s du“ng const m ct i on peri od w i t hf i ni t eel em ent m et hodto inV es tigatet hei nnuences oft hi ckness ofeachconcret e pour ing bi ll et layer andthe pour ing i nt e rvalondamt her m al st r ess fi el d．Theres ul t sindicat et hattheinfl uencesar erelatedwitht hehvdr at ionspeedofconcr et e．W hentheval ueofnisr ela— t i V el ysm al l( nrepr esent shal fageofhydrati onheatof concr eter eact ion)，t hem axi m umt ens i l est r essdecreasesas pour ing i nt e卜 V ali ncreas esanditi ncreas esas pour ing bi l let layer t hi cknessi ncreases ，W hent hevalueofnis rel at i vel yl arger， t hem axi m um t ensi l est r essi ncreas 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nkarst r egions becauseoft he fr equent occur — rencesofkarst caves，w at eri nm sh，m ud inI ．Il shand col l apse． Thew orki ngt heori esofTSPandT RTtechnologiesarei nt roduced andthes et w o t echnol ogies havebeen appli ed i nthecons truct ionof Jigong M ountai nTunnelofThr ee G or gesH i ghw ayProj ect ． Thr ough t he engi neer ingpract i ce， t he appl icati on ofthes et w otechnol ogi esis proved t obe effect i ve， w hichcanas certaint he r ange and posi t i on ofkar st—fr acturedw at er preci s el y，guar ant eei ng theconst m ct i on saf色ty． K eyw or ds： TSP；T RT；ge0109i cal f brecast ；kar st—fractur edwat e。；hi ghwayt unnel ⋯，⋯】⋯，⋯，⋯，-o‘ (上接第65页) Resear chonft act ure t oughness andt ensi le st rengt h of sandst oneunderw at er—sat urat edandai r —dri edci r cul at i on ZH UM i n，D EN GH uaf eng，ZH O UShi ，LU OQ i an，CA IJi an (cDzzPge可cj ”以E增i忍已e以，；g口忍dA厂c^!￡ec￡M 他，c矗i 托8 7h，8e G D ，ges￡胁i 秽e璐i 钞，nc是8，t g443002，c愚；忍乜) A bs tract： Inorderto inves tigate t hevari at i onandcorrelat 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