混凝土拱坝夏季浇筑块热学参数反演及应力场分析

2018-01-18，，

长江工程职业技术学院学报 2017年4期

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(1. 长江工程职业技术学院，武汉 430212；2. 宁海县水利局，浙江宁波 315600；3. 普渡大学机械工程学院，西拉法叶市 47907，美国)

混凝土拱坝属于大体积混凝土结构，施工期外界温度变化、水泥产生的水化热以及自身约束等各种因素的作用将在结构内部或表面出现拉应力，该拉应力的主要来源是温度应力，易导致混凝土裂缝产生。温度应力与结构形式、气候条件、施工过程、材料特性等多种因素有密切关系，变化复杂，温度应力的分析比水压力、自重等其它外荷载的分析要复杂得多[1]。

中国浙江省某混凝土拱坝高101m，坝型为抛物线型常态混凝土双曲变厚拱坝，坝顶宽度6.00m，拱冠梁底宽24.76m，拱冠梁厚高比0.245。大坝混凝土为R90C20 W8F50。本文基于该拱坝的夏季施工浇筑块现场实测温度资料，反演了混凝土的热学参数，为后续浇筑的混凝土分析温控措施的合理性打下基础。图1显示了施工中的该拱坝。

图1某在建混凝土拱坝

1 计算模型和主要参数

根据甲方提供的浇筑层资料，取9.6m厚浇筑块进行建模，见图1，下面3.6m设为老混凝土，中间3.6m设为研究对象(分为3层，每个浇筑层1.2m，水管布置在各浇筑层中心[2-3]，见图2)，上面再设2.4m的浇筑层，浇筑间歇期约10d。浇筑开始时刻为8月12日，根据温度实测资料，浇筑温度为26.6℃。

仿真计算中节点总数为4 080，单元总数为3 360；通3根水管后，节点总数为8 400，单元总数7 371，模型及冷却水管示意图见图2、图3。

图2浇筑块有限元模型

图3浇筑层中部冷却水管

在施工期温度场仿真计算时，假定浇筑块基础底面及横缝面均为绝热边界，其它面为热交换边界。在施工期应力场计算时，假定基础底面为连杆支撑，四周及上部结构的临空面均自由。

2 热学参数反演结果

采用混凝土温度场计算理论与方法[4-5]，反演混凝土的导热系数、导温系数、绝热温升曲线、冷却水管壁的热交换系数、浇筑块临空面的热交换系数。

根据施工方提供的温度观察资料和设计图纸，一共取了4个特征点，特征点具体位置见图4。特征点实测温度和利用反演参数计算得出的温度值对比见图5～图7所示。

图4纵向中心剖面上的特征点位置

图5特征点1的400d温度历时曲线

图6特征点2的400d温度历时曲线

图7特征点3的400d温度历时曲线

根据特征点的温度实测资料，可以发现特征点1在第2天达到温度峰值，而特征点2和特征点3在第6天达到温度峰值，经过反复的拟合尝试，最终认为特征点1所在上游面部分区域使用的混凝土配合比A与特征点2和特征点3所在的中部和下游面区域的混凝土配合比B可能不一样。反演所得热学参数值如下：

混凝土A绝热温升模型：

绝热温升：θ(τ)=28.0(1-e-1.2τ0.8)

表面散热系数：β=16.67kJ/(m2·h·℃)

导温系数：a=0.00359m2/h

导热系数：λ=7.76kJ/(m·h·℃)

混凝土B绝热温升模型：

绝热温升：θ(τ)=29.6(1-e-0.22τ1.22)

表面散热系数：β=16.67kJ/(m2·h·℃)

导温系数：a=0.00359m2/h

导热系数：λ=7.76kJ/(m·h·℃)

冷却水管壁的热交换系数：

β=66.67kJ/(m2·h·℃)

3 特征点实测温度测量和拟合结果分析

综合分析混凝土3个测点的400d温度变化历时曲线，主要有以下结论：

(1)由于混凝土块在8月浇筑，环境温度较高，因此各测点初始温度均较高，混凝土入仓温度均为26.6℃左右。

(2)混凝土浇筑完后，特征点1在第二天达到温度峰值，而特征点2和3温度峰值均出现在第六天，根据分析温度峰值应该是由水化热引起的，在浇筑的过程中可能使用了两种混凝土。水化热温度峰值后，各特征点在水管冷却和自然冷却条件下，温度逐渐平稳下降，表面点到当年冬季时降到最低温，内部点在400d观测期内始终在下降，到300d后基本降速减缓，基本稳定在25℃。特征点1和3距离混凝土表面比较近，易受环境温度的影响，在第二年春季，由于环境温度逐渐升高，所以特征点1和3出现二次温升；特征点2距离混凝土块表面较远，受环境温度变化影响较小，所以没有出现二次温升且温度趋于稳定。

(3)各测点的温度分布规律较好。特征点离表面越近，越易受环境温度变化的影响；测点离表面越远，越不易受环境温度变化的影响。

(4)各特征点的计算值和测量值的温度历时曲线吻合较好，三个特征点的拟合精度分别达到0.93，0.96，0.96(计算残差平方和Q=∑(y-y*)2和∑y2，其中，y代表的是实测值，y*代表的是预测值；拟合度指标R=1-(Q/∑y2)1/2)。