低弹模地基大体积混凝土施工期温度应力分析.pdf

第 4 2卷 第 1 6期 2 0 1 1年 8月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 42 No 1 6 Au g， 2 011 文 章 编 号 ： 1 0 0 141 7 9 ( 2 0 1 1 ) 1 60 0 7 70 3 低弹模地基大体积混凝土施工期温度应 力分析 陈 浩， 李 锋 ， 简 秋 霞 ( 长 江勘测规 划设 计研 究有限责任公司 施工设计处 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘 要 ： 为 了研 究低 弹模 基 岩 地 区大 体 积 混 凝 土 施 工 期 的 温度 应 力 ， 选 取 低 弹模 基 岩 地 区 两 个 坝 块 尺 寸 差 异 较 大的 实际工程为研 究对 象， 采用有限元法对坝体温度及温度 应力进行 了仿真计算 ， 并 用弹性地基 梁法对其进 行 了复核。结果表明 ： 对于基岩 弹模 明显低 于混凝土弹模地 区的 大体 积混凝土 工程 ， 由于基岩对上部 混凝 土 温度 变形时的约束较 小， 对 温控 防裂较 有利 ， 可参 照基岩 弹模和 混凝 土弹模 相近的基础允许温差标准 ， 适 当放 宽基础温差标准 l 一 2 C， 坝体 温度 应力仍可控 制在设 计允许 应力 范 围内； 当放 宽基础 温差标 准后 ， 坝体分 缝 、 温度控制措施等要 求均相对 降低 ， 可减 少温控投入 ， 为加快 工程施 工进 度创造有利 条件 ， 具有较好 的现 实 意 义 。 关键词 ： 低 弹 模 基 础 ；大 体 积 混 凝 土 ；温度 应 力 ；温 控 中 图法 分 类 号 ：T V 4 3 文 献标 志 码 ：A 大体积混凝土在施工初期受水泥水化热温升影 响 ， 内部温度 较高 ， 在混凝土冷却 至稳定温度 的过程 中， 混凝土将产生较大的变形 ， 受基岩约束的影 响， 坝 体基础约束区内将会产生较大的温度应力 ， 当温度应 力超 过混 凝 土抗拉 强度 时易 导致 坝体 内部 发生基 础 贯 穿性 裂缝 。 目前 国 内外 对大 体积 混凝 土温 度及 温度 应 力的研究 ， 以及规范规定 的基础允许温差标准 ， 主要是 针对基岩弹模与混凝土弹模相差不大的一般地 区， 但 对 于基岩弹模明显低 于混凝土弹模 的坝体温度应力的 研 究 则相对 较 少 ， 相 应 的工程 经验 也较 少 。 。 随着 国 内水 电工 程 的大 规 模 建 设 ， 在 低 弹性 模 量 坝 址地 区修 建 的水 电工 程 越 来 越 多 ， 有 必要 进 行 专 门 的研究 。作 者根 据 目前 国 内已建或 在建 多个类 似 工程 资料 ， 结合实际工程 ， 采用三维有限元和弹性地基梁等 方法进行了仿真计算 ， 分析 了基岩弹模较低地 区大体 积混凝 土施工期 坝体 温度应力情 况， 并 对关键参 数 ( 基岩弹模 、 坝块尺寸等) 进行了敏感性分析。 1 工程基本资料 为 分析 研究低 弹模 基础 地 区大体 积混 凝 土温度 应 力 的基本 情 况与 一般 规律 ， 本文 结合 工程 实 际 ， 选取 坝 块 尺寸差 异 较大但 其他 条件 较类 似 的 向家 坝水 电站 和 小南海水利枢纽作为低变 ( 弹) 模基础地区典型工程 进行分析 研究 ， 计算根 据工程 试验数 据 、 实际 ( 或 拟 定) 施工方案和措施进行 。 各工程基本情 况及计算参数取值见 表 1 ， 典 型坝 段剖 面见 图 1 ， 2 。 向家 坝水 电站 通水 冷却 情 况 ： 1 2月 至次 年 2月不 初期 通水 ， 3 ， 1 1月初 期 通 河 水 ， 其他 月 份 初 期通 1 2 C 制冷水 ， 初期通水 时间 1 5 d 。1 0月开始 中期通河水 ， 冷却至 2 2 左右。后期通 l 2 制冷水 至坝体稳定温 度 。 表 1 低弹模地 区典型工程基本资料及计算 参数 收稿 日期 ： 2 0 1 1 一 O 6 2 8 作者 简介 ： 陈 浩， 男 ， 工程师 ， 主要从 事水电工程施工设计工作 。E ma i l ： e h e n h a o 一 8 8 1 7 1 6 3 e o m 7 8 人 民 长 江 小南海水利枢纽通水冷却情况 ： 水管 间距 1 5 m 2 0 m初期通 1 0 制冷水 1 5 d 。1 0月开始中期通 江水 ， 使混 凝 土 内部温 度 降至 2 2 C。 图 1 向家坝水 电站泄 洪坝段典型剖面 垒Q Q Z Z Q 女 ? 26 0 0 0 图 2 小 南海水利枢纽溢流坝段典型 剖面 ( 高程 ： m； 尺寸 ： c l 1 ) 2 计算成 果及分析 2 1 基岩 弹模 对坝体温度应 力的影响 选取向家坝水电站工程和小南海水利枢纽工程典 型坝段进行基岩弹模敏感性分析 ， 分别计算 了基岩 弹 模 (E ， ) 为 5， l 0 ， 2 0 ， 3 0 G P a和 3 8 G P a时坝体基础约 束区温度应力。为验证计算成果 ， 采用弹性地基梁法 对 上述条 件 下 的坝体 温 度 应 力进 行 了复 核 ， 计 算 成 果 见 表 2。 表 2 不同基岩弹模条件下坝体最大顺河 向温 度应 力 MP a 计算成果表明 ， 采用有 限元法和弹性地基梁法所 计算 的坝体温度应力相差不大， 应力分布及最大温度 应力随基岩弹模变化 的趋势基本相 同， 即在其它条件 均不变的情况下 ， 坝体基础约束 区最大温度应力 随基 岩弹模的增加而增加。此外 ， 通过对 比分析发现 ， 坝体 温 度应 力随 基岩 弹模 增 长 的幅 度 还 与 坝块 尺 寸 有 关 ， 如 向家 坝泄 洪 坝 段顺 流 向 长 度 达 1 6 6 m， 其 约 束 区温 度应力受基岩弹模的影响程度明显 比小南海溢流坝段 ( 顺流向长度 5 5 5 m) 要大 ， 尤其是在基岩弹模达到接 近混凝土弹模时， 尺寸较大的坝块基础约束区温度应 力 增长 明显 。 2 2 坝块 尺寸对坝体温度应力 的影 响 选 取小 南海 水利 枢 纽 溢 流 坝段 为研 究 对 象 ， 假 定 坝块顺流向尺寸分别 为 3 0， 6 0 m和 1 0 0 m， 对坝体 温 度应力进行仿真计算 ， 其中基础强约束 区设计 允许最 高温度是按混凝土弹模和基岩弹模相近时拟定的。 计算 分 析表 明 ， 在 坝体 混 凝 土 施 工 期最 高温 度 不 超 过相 应设 计允 许温 度 时 ， 坝 体 内部 最 大 温度 应 力 均 较 小 ， 安全裕 度较 大 。为 深入 分 析 并 量 化 此 安全 裕 度 的大小 ， 论证调整放宽低弹模地 区基础允许温差标 准 的可行性 ， 在进行坝块尺寸敏感性分析计算的过程 中， 通过假定推迟坝体混凝土浇筑时间的方式 ， 计算 分析 当坝体最高温度超过拟定 的设计允许最高温度时 ， 大 坝 基础 约束 区温 度应 力 的分布 情况及 规 律 。计 算 成果 见表 3。 表 3 不 同尺寸坝体 基础 强约束区最大顺河 向温度应 力 从表 3可以看出， 坝体各浇筑层最高温度 主要取 决于混凝土浇筑温度 、 水化热温升及坝体温控措施等 ， 第 1 6期 陈 浩 ， 等 ： 低 弹模 地基大体积混凝土施工期 温度应力分析 7 9 与 坝块 尺寸 关系 较 小 。随 着 坝 块 尺寸 的增 大 ， 拟 定 的 设 计允 许 最 高 温度 也 逐 步增 加 ， 温度 超标 值 从 1 3 9 o C 逐 步扩 大到 4 2 5 o C， 最大顺 河 向温度 应力 由 0 9 4 MP a 增大到 1 3 9 M P a ， 应 力虽 然均在设计允许 范围内， 但 安全裕度随坝块尺寸的增大 而迅速降低 ， 应力计算值 占设 计 允 许 值 的 百 分 比 由 5 5 6 2 迅 速 扩 大 至 8 2 2 5 。此外 ， 计算发现 ， 随着坝块尺寸的增加， 由于 内外温 差 和坝体 结 构原 因 ， 在坝 体 表 面 产 生 的应 力 集 中现象 尤 为明显 ， 应 引起 注意 。 对 于基 岩弹 模 明显 低 于混凝 土 弹模地 区 的大体 积 混凝土工程 ， 由于基础对上部混凝土温度变形时的约 束较小 ， 对温控防裂较有利 ， 可参照基岩弹模和混凝土 弹模相近的基础允许温差标准， 适当放宽基础温差标 准 ， 坝体 温 度应 力 仍 可 控 制 在 设 计 允 许 应 力 范 围 内 。 当放 宽基 础温 差标 准后 ， 坝体 分缝 、 温度 控 制措施 等要 求均相对降低 ， 可减少温控投入 ， 为加快工程施工进度 创造 有利 条件 ， 具有 较好 的现 实意 义 。 3 结 论 本文选取低弹模基岩地区两个坝块尺寸差异较大 的实际工程为研究对象 ， 采用有限元 法对坝体温度及 温度应力进行 了仿真计算 ， 并用弹性 地基梁法对其进 行 了复 核 ， 并 针对 基岩 弹 模 和 坝块 尺 寸进 行 了敏 感 性 分析 ， 主要结论如下： ( 1 )坝体 内部最大温度应力主要出现在基础约束 区 ， 与基岩弹 ( 变) 模关系较大 ， 在边界条件相 同的情 况下 ， 基岩弹模越低 ， 对 上部混凝土的约束就越小 ， 混 凝 土 内部 因温 度变形 所产 生 的温度 应力 也就 越小 。 ( 2 )拟定低弹模基础地区大体积混凝土基础约束 区容许温差时 ， 可参照基岩和混凝土弹模相近时 的规 范要求 ， 适 当放 宽 1 2 C。对 于具 体 工 程 ， 尤 其 是 顺 流 向尺寸 较 大的 大体 积 混 凝 土工 程 ， 应根 据 工 程 实 际情 况 进行 温度 场 、 温 度应 力仿 真计 算 ， 经 过充 分论 证 后确定其基础容许温差标准。 ( 3 )对于低弹模基础地区结构尺寸较大的重力坝 等大体积混凝土工程 ， 可结合坝体温度及温度应 力仿 真计算结果， 在混凝土生产 、 浇筑能力允许 的前提下 ， 可考 虑采用 通 仓浇 筑 方 案或 适 当加 大 分缝 分 块 尺 寸 ， 从 而 达到方 便施 工 、 加 快 施工 进 度 并 降 低施 工 成 本 的 目的 。 ( 4 )尽管 弹模较低 的基 础对上部混凝土 约束较 小 ， 对混凝土温控防裂有利 ， 但从计算结果来看 ， 混凝 土温度的变化直接影响混凝土温度应力的大小 ， 因此 ， 对 于低 弹模 基础地 区 的大 体 积混 凝 土 ， 在 确 定 了相 应 温 控标 准 以后 ， 仍 应采 取 合 适 的 综 合 温控 措 施 减 少 混 凝 土水化 热 温升 ， 控制 混 凝 土 施 工期 最 高 温 度 不 超 过 设计允许温度 ， 同时加强对坝体上 下游表面的保温保 护， 采取综合温控措施控制内外温差 ， 防止混凝土出现 裂缝。对于坝踵等应 力集 中部位 ， 应尽量使用抗裂性 能好的混凝土 ， 并加强混凝土表面养护 ， 避免拉应力过 大 产生 裂缝 。 参 考 文献 ： 1 朱伯芳 有限单元 法原理 与应 用 M 北京 ： 中 国水利 水电 出版 社 1 9 9 8 2 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 2 0 0 3 3 龚召熊 水工混凝土的温控和防裂 M 北京： 中国水利 电力 出版 社 1 9 9 9 4 D L 5 1 0 81 9 9 9混凝土重力坝设计规 范 S 5 S L 3 1 9 2 0 0 5 混凝土重力坝设计规 范 S ( 编 辑 ： 徐 诗 银 ) Te m pe r a t ur e s t r e s s a n a l y s i s o f m a s s c o nc r e t e i n l o w - e l a s t i c m o d ul u s r o c k f o un da t i o n ar e a i n c o ns t r u c t i o n pe r i o d C HE N Ha o，L I F e n g ，J I AN Qi u x i a ( C o n s t r u c t i o n a n d D e s i g n De p a r t me n t ，C h a n g j i a n g I n s t i t u t e o fS u r v e y，P l a n n i n g，D e s i g n a n d Re s e a r c h，Wu h a n 4 3 0 0 1 0，C h i n a) Abs t r a c t： I n o r de r t o s t u dy t e mp e r a t ur e s t r e s s o f ma s s c o nc r e t e i n l o w e l a s t i c mo d u l u s r o c k f o un da t i o n a r e a，s e l e c t i n g 2 c o n - c r e t e b l o c k s wi t h l a r g e s i z e d i f f e r e n c e i n l o we l a s t i c mo d u l u s r o c k f o u n d a t i o n a r e a a s o b j e c t s ，w e s i mu l a t e t h e i r t e mp e r a t u r e a n d t e mpe r a t u r e s t r e s s b y FEM a nd c h e c k t he r e s u l t s by e l a s t i c f o un d a t i o n b e a m me t h o dTh e r e s u l t s s h o w t ha t f o r t h e ma s s c o n c r e t e p r o j e c t w i t h t h e e l a s t i c mo d u l u s o f r o c k f o u n d a t i o n s ma l l e r t h a n t h a t o f c o n c r e t e b l o c k ， t h e r o c k f o u n d a t i o n h a s r e l a t i v e s ma l l e r r e s t r i c t i o n o n t h e a b o v e c o n c r e t e bl o c k，whi c h i s f a v o r a b l e t o t e mpe r a t u r e c o n t r o l ，S O t ha t t he t e mpe r a t u r e d i f f e r e nc e c o n t r o l s t a n d a r d c o u l d b e r e l a x e d b y 1 一2 C b y r e f e r e n c i n g t h e p e r mi t t e d t e mpe r a t u r e d i f f e r e n ce o f t h e f o u nd a t i o n wi t h e l a s t i c mo du l u s s i mi l a r t o t h a t o f t h e c o n c r e t e T h e r e f o r e ，t h e r e q u i r e me n t s o n t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s a n d d a m j o i n t s c o u l d b e r e l a x e d T h e c o ns t r uc t i o n p r o c e s s c a n b e a c c e l e r a t e d a n d t h e c o s t o n t e mpe r a t u r e c o nt r o l c a n b e r e d uc e d Ke y wo r ds：l o w e l a s t i c fou nd a t i on；ma s s c o nc r e t e；t e mp e r a t ur e s t r e s s；t e mp e r a t ur e c on t r o l