预应力混凝土面板堆石坝技术及有限元分析.pdf

2 0 1 5 年 第 1 1期 (总 第 3 1 3 期 】 Nu m b e r 1 1 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o ． 3 1 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHN0L0GY d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 4 0 预应 力混凝土面板堆 石坝技术及有 限元分析 朱万旭 ，常宇飞 ’ ，区锡祥 ，吕娟娟 ， 付委 ( 1 ． 广西科技大学 土木建筑工程学院， 广西 柳州 5 4 5 0 0 6 ； 2 ． 桂林理工大学， 广西 桂林 5 4 1 0 0 4； 3 ． 柳州欧维姆机械股份有限公司， 广西 柳州 5 4 5 0 0 5 ) 摘要： 面板作为大坝 的防渗体 ， 它的整体性和耐久性关系到大坝的稳定安全。 因此 ， 面板混凝土 的防裂 、 限裂就成为大坝设计 的关键。 防止裂缝的发生， 应从提高混凝土 自身抗裂能力及减小导致裂缝的破坏力人手。 将缓黏结预应力筋铺设在混凝土面板 堆石坝中可以提高结构的刚度， 有效 的抑制裂缝的开展。 通过对某地区一水电站大坝的受力性能进行 A N S Y S 有限元分析， 对比 施加预应力前后的大坝应力及变形特点 ， 探究预应力技术在混凝土面板坝中运用的合理性。 分析结果表明： 缓黏结预应力筋能 够减缓面板的开裂破坏程度 ， 显著地改善混凝土面板堆石坝的工作性能 ， 值得在今后的工程中推广。 关键词 ： 混凝土面板堆石坝； 预应力 ； 缓黏结筋； A N S Y S有限元分析； 降温法 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 1 — 0 1 5 0 — 0 3 T e c h n o l o g y o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e f a c e r o c k f i l l d a m a n d f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s Z HU Wa n x u ， C HANG yu 崩 ， OU Xi x i a n g ， LO J u a n j u a n ， FU We i ’ ( 1 ． S c h o o l o f C i v i l a n d Ar c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g， Gu a n g x i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 6 ， Ch i n a 2 ． Gu i l i n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， G u i l i n 5 4 1 0 0 4， C h i n a ； 3 ． L i u z h o u OV M Ma c h i n e r y Co ． ， L t d ． ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 5 ， Ch i n a ) Abs t r ac t ： Co n c r e t e p a n e l i s u s e d a s t h e i mp e r v i o u s b o dy o f a d a m， wh i c h i n t e g rit y a n d d u r a b i l i t y h a v e a b i g e f f e c t o n s a f e t y a n d s t a bi l i — t y． Th e r e f o r e， i t i s c rit i c a l t o a vo i d a n d l i mi t t h e c r a c k s b y i mp r o vi n g t h e c r a c k r e s i s t a n c e a b i l i t y o f c o nc r e t e a n d r e d u c i n g the t e ns i l e s t r e s s ． Th e p r e—s tre s s i n g r e t a r d—b o n d e d s t r a n d s l a i d i n t h e c o n c r e t e p a n e l c a n i mp r o v e t h e s t i f f n e s s o f t he s t r u c t u r e a n d e f f e c t i v e l y i n — h i bi t the c o n d u c t o f c r a c ks ． Th e d a m i n a h y d r o p o we r s t a tio n i s a n a l y z e d b y ANS YS t o c o mp a r e s tre s s a n d d e f o r m a t i o n c h a r a c t e ris t i cs o f the da m b e f o r e a n d a fte r p r e—s tre s s i n g a n d s tu d y t h e r a ti o n a l i t y o f p r e— s t r e s s t e c h n o l o g y． Th e r e s ul t s s h o w th a t p r e—s t r e s s i ng r e t a r d — b o n d e d s tra n d c a n d e c r e a s e t h e d a ma g e of t he p a n e l a n d i mpr o v e t he wo r k i ng p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e f a c e r o c k f i l l d a m． I n s h o r t ， t hi s p r e—s t r e s s i n g t e c h n o l o g y s h o u l d b e p r o mo t e d i n f u t u r e p r o j e c t s ． K e y wo r d s ： c o n c r e t e f a c e r o c k f i l l d a m( C F R D) ； p r e—s t r e s s ； r e t a r d—b o n d e d s tr a n d ； fi n i t e e l e m e n t A N A L Y S I S ； f a l l i n g t e m p e r a t u r e m e t h o d O 引 言 2 0 1 2年 8 月 ， 新疆斯木塔斯水电站正式下闸蓄水。 这 是世界首次将预应力技术应用于混凝土面板堆石坝中 ， 标 志着 中国水利建设进入了一个新 阶段。 时至今 E t ， 预应力技术在建筑、 桥梁工程等方面发展 已非常成熟 。 建筑楼板 、 桥梁梁体中的预应力钢筋能够有 效 的抑制钢筋混凝土结构表面的裂缝 ， 同时大大地节省钢 材用量 ， 减小结构 自重并增加梁体长度 。 然而 ， 在斯木塔斯 水 电站建成之前 ， 世界范围内没有任何一例采用预应力技 术修建混凝土面板堆石坝的先例。 究其原 因， 不外乎 以下 几点 ： 相对于建筑 、 公路 、 桥梁 工程 等 ， 水利工程建设 难度 更大 ， 要求的技术水平更高 ； 预应力施工需要专业性人员 ， 施工时间长 ， 耗费资金大 ； 2 0 0 0年 以前 ， 我 国 1 0 0 12 1 以上的 超高大坝数量较少 ， 普通钢筋混凝土面板堆石 坝完全 可以 满足使用要求 。 近年来， 随着国家经济建设的快速发展， 许多地区的 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 一O 卜0 6 1 50 电力供应越来越无法满足人民群众生产生活的需求。 普通 钢筋混凝土面板堆石坝厚度小 ， 暴露面积大 ， 受 温度 、 湿度 影 响大。 特别是气温骤变和混凝土干缩引起拉应力超 过混 凝 土 自身的抗拉强度或极 限拉应 变而使面板产生裂缝 ， 对 长 面板则更为不利 J 。 因此其发展受到 了诸 多的限制。 为了缓解用 电压力 ， 我国的水电站 大坝坝体 已经 向着更 高 更大的方 向发展 。 新疆斯木塔斯水 电站的建成为我们开辟 了一个全新的思路 ： 预应力技术将是今后水利大坝建设的 新趋势 。 1 预应力技 术在 混凝 土面板堆石坝 中的应用 适用于水工建筑物 的预应 力钢筋为高强度低 松弛预 应力钢筋 。 这种钢筋 经钢经 绞线绞捻 而成 ， 且 要在 3 5 0 ~ 4 0 0℃的高温环境下热处理。 经过热处理后 的钢绞线强度 大大提高 ， 结构伸直性 良好且更加 紧密 ， 即使 被切断后仍 能保持不松散。 另外 ， 这种钢绞 线能够有效地降低预应 力 混凝土的力学性能和吸水率等性能都不断优化 ， 绝 干密度 也不断增大 ， 不过其价格较高 ， 并且发泡混凝 土的密度也 不宜过低 ， 混凝土的绝干密度为 8 4 0 k g ／ m 时的稳 泡剂加 入量为 1 8 g ， 抗压强度为 4 ． 0 MP a ， 吸水率为 6 ． 8 ％， 性能参 数满足 国家标准 ， 因此确定适宜的稳泡剂加入量为 1 8 g 。 3 结 论 以过碳 酸钠为发泡剂 ， 制备 干混发泡混凝 土， 获得 了 适宜的干混发泡混凝土组分配合 比： 水 泥质量 为 2 0 0 0 g ， 砂子质量 为 3 5 0 g ， 粉 煤灰 质量 为 5 0 0 g ， 生 石灰 质 量为 2 5 0 g ， 过碳酸钠 质量 为 1 2 0 g ， 复合稳 泡剂 ( m 可 在 分 散 胶 粉： m 刚 酸 钙= 1 ： 1 ) 加入量为 1 8 g ， 在此条件下 ， 发泡混凝 土的 绝干密度为 8 4 0 k g ／ m ， 抗 压 强度 为 4 ． 0 MP a ， 吸水 率 为 8． 3 ％ 参考文献 ： [ 1 ]丁益， 任启芳， 闻超． 发泡混凝土研制进展[ J ] ． 混凝土， 2 0 1 1 ( 1 O ) ： 1 3 —1 5 ， 1 9 ． [ 2 ]王武祥 ， 张磊蕾 ， 廖礼平 ， 等． 发泡混凝土密实砌块 的抗压强度 研究[ J ] ． 混凝土与水泥制品 ， 2 0 1 3 ( 3 ) ： 4 3 — 4 8 ． [ 3 ]朱晓东 ， 钱惠生， 钱红宇 ， 等． 粉煤灰火山渣泡沫混凝土砌块 的 研制[ J ] ． 砖瓦 ， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 4 3— 4 5 ． [ 4 ]J O N E S M R， C A R T H Y A M． P r e l i mi n a r y v i e w s o n t h e p o t e n t i a l o f f o a me d c o n c r e t e a s a s t r u c t u r a l ma t e ri a l [ J 1 ． Ma g a z i n e o f C o n — c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 5 7 ( 1 ) ： 2 l 一 3 1 ． [ 5 ]N A MB I A R E K K ， R AMA MU R T H Y K． Mo d e l s f o r s ~ e n g t h p r e — d i c t i o n o f foa m c o n c r e t e [ J 1 ． Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ． 2 0 0 8 ( 4 1 ) ： 上接第 1 5 2页 ( 3 ) 此次 A N S Y S有限元分析的结果与水电站大坝的 施加情况具有一定 的偏差。 原 因在于 ： “ 分割法” 是将 体进 行分割后产生的线作为预应力筋 ， 此法假设预应力筋与混 凝 土之间黏结 良好 ， 忽 略了二 者之间的相对滑 动； 堆 石体 结构成分 复杂 ， 无 法 准确 预测 c o m b i n e 1 4单元 的弹簧 系 数 ， 只能依据经验近似取值 ； 相 对于 自重 、 静水压 力 ， 坝体 受到的地震荷载 、 土压力 、 冰压力等数值 很小 ， 为简化计算 过程已忽略不计 。 3 结 论 ( 1 ) A NS Y S有限元分 析和工 程实例 ( 新疆斯 木塔斯 水电站大坝 ) 分别从理论 和实 际出发 ， 共 同验证 了加入 预 应力筋能够优化混凝土面板堆石坝的工作性能。 ( 2 ) 预应力面板堆石坝技术是将高强度低松弛的缓黏 结筋布设在混凝 土面板堆石坝中， 事先人为地在钢筋混凝 土中引入 内部应力 ， 有利于减轻结构 自重 ， 抑制裂缝发展 。 特别适用 于水工 大坝这类对裂缝有较高要求的结构 。 预应 力技术使结构受力更加均匀 。 ( 3 ) 缓黏结筋的核心是缓黏结剂 ， 目前 我国缓 黏结剂 的固化期可分为 3 0 、 6 0 、 9 0 d三种 。具体施工过程要根据 具体情况取用 。 ( 4 ) 根据等强度换算 原则 ， 预应力钢筋 的需 用量大约 为整个大坝面板配筋的 2 0 ％。 ． 1 S 6 ． 2 4 7 —2 5 4． [ 6 ]石岩 ， 师恩强， 辛德胜 ， 等． 发泡混凝土材料的制备及性能研究[ J ] ． 新型建筑材料， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 6 6— 6 8 ． 1- 7 ]王银生， 曹素改 ， 张志国， 等． 粉煤灰、 矿渣生产泡沫混凝土的 研制[ J ] ． 粉煤灰综合利用， 2 0 1 I ( 6 ) ： 3 9 — 4 1 ． [ 8 ] 肖力光， 张士停 ， 刘刚． 泡沫混凝土泡孔微观结构的研究[ J ] ． 吉 林建筑工程学院学报 ， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 6 ) ： 1 — 4 ． [ 9 ]梁磊， 李晓， 牛晚扬， 等． 双氧水发泡体系对无机聚合物发泡混 凝土硬化性能的影响研究[ J - I ． 混凝土 ， 2 0 1 4 ， 1 ： 4 9 — 5 2 ， 5 5 ． [ 1 0 ] 宋伟 ， 徐雪丽． 高收率高稳定性过碳酸钠的制备[ J ] ． 无机盐工 业 ， 2 0 1 4 ， 4 6 ( 3 ) ： 5 0— 5 3 ． [ 1 1 ] 戴民， 张鹤译． 氯氧镁水泥泡沫混凝土的优化试验[ J ] ． 混凝土， 2 0 1 3 ( 3 ) ： 1 3 4—1 3 6 ， 1 4 0 ． [ 1 2 ] 高波， 粉煤灰发泡混凝土的试验研究与工程应用[ D] ． 西安： 西 安理工大学， 2 0 0 4 ： 1 0— 1 2 ． [ 1 3 ] 刘俊华， 张霞， 刘凤利． 建筑垃圾再生混合砂砂浆性能试验研 究F J ] ． 混凝土 ， 2 0 1 4 ( 3 ) ： 1 3 1 —1 3 4 ， 1 4 0 ． [ 1 4 - ] H A N E H A R A S ， T O MO S A WA F ， K O B A Y A K A WA M， e t a 1 ． E f f e c t s o f wa t e r ／ p o wd e r r a t i o n， mi x i n g r a t i o o f fl y a s h， a n d c u r i n g t e mp e r a 。 t u r e o n p o z z o l a n i c r e a c ti o n o f fl y a s h i n c e m e n t p a s t e [ J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 8 ) ： 3 1 — 3 9 ． [ 1 5 ] WA N G H， C H E N W Z， T A N X J ， e t a 1 ． D e v e l o p me n t o f a n e w t y p e of foa m c o n c e a an d i t s a pp l i c a t i o n o n s t a b i l i t y a na l ys i s o f l a r g e —s p a n s o f t r o c k t u n n e l [ J ] ． J o u ma l C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 1 2 ， 9 ( 1 9 ) ： 3 3 0 5— 3 3 1 0 ． 第一作者： 赵冰( 1 9 7 6一) ， 男， 讲师， 主要研究方向： 建筑材料。 联 系地址： 河南省南阳市长江路 8 O号( 4 7 3 0 0 4 ) 联系电话： 1 3 3 3 3 6 0 8 9 8 9 参 考文献 ： [ 1 ]郦能惠， 杨泽艳． 中国混凝土面板堆石坝的技术进步[ J ] ． 岩士 工程学报 ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 8 ) ： 1 3 6 1 —1 3 6 8 ． [ 2 ]蒋国澄． 混凝土面板堆石坝的回顾与展望[ c ] ／ ／ 中国大坝技术 发展水平与工程实例 E 京 ： 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 7 ： 1 2 8 — 1 3 5． [ 3 ]WO N M S ， K I M Y S ． A c a s e s t u d y o n t h e p o s t —c o n s t r u c t i o n d e — f o r ma t i o n o f c o n c r e t e f a c e r o c k f i l l d a m[ J ] ． C a n a d i a n G e o t e c h n i — c a l J o u r n a l ， 2 0 0 8， 4 5 ( 6 )： 8 4 5—8 5 2 ． [ 4 ]X U B， Z O U D， L I U H B ． T h r e e— d i me n s i o n a l s i m u l a ti o n o f t h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s o f t h e Zi p i n g p u c o n c r e t e f a c e r o c k fil l da m — b a s e d o n a g e n e r a l i z e d p l a s t i c i t y mo d e l [ J ] ． C o m p u t e r s a n d Ge o t e c h n i c s ， 2 01 2， 4 4： 1 43—1 5 4． [ 5 ]李佩勋． 缓黏结预应力综合技术的研究和发展[ J ] ． 工业建筑， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 1 1 ) ： 1 — 5 ． [ 6 ]张建玲 ， 宋玉普 ， 王志刚． 缓黏结预应力筋的试验研究[ J ] ． 施工 技术 ， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 3 ) ： 2 1 — 2 3 ． [ 7 ]何本国， 陈天宇， 王洋． A N S Y S土木工程应用实例[ M] ． 北京 ： 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 5 ： 8 4— 8 6 ． 第一作者 联 系地 址 联 系 电话 朱万旭 ( 1 9 7 2一) ， 男 ， 教授级 高级工程师 ， 研究生导 师， 从事预应力及相关技术研究开发。 广西K il] ~ q ＼ l市东环大道 2 6 8 号 广西科技大学土木建筑 工程学院( 5 4 5 0 0 6 ) 1 8 8 0 7 7 2 25 8 3