圆形沉箱混凝土温度场和应力分析

2020-06-18李长辉

硅酸盐通报 2020年5期

陈宇，李长辉，黄信，焉振，李颖

(1.中国民航大学机场学院，天津 300300；2.天津水运工程勘察设计院，天津 300456； 3.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

0 引言

沉箱为钢筋混凝土薄壁结构，重量轻，方便运输，在其薄壁间的空格内回填石料可增加沉箱结构的稳定性，因此沉箱结构被广泛应用于重力式码头结构。暴露在外界环境的薄壁沉箱结构，受到日照和环境温度变化的影响会产生局部温度应力，其温度应力产生的机理是由于沉箱外表面温度随着气温和日照辐射影响呈明显的昼夜温度变化，而内表面因空气不流动和混凝土较差的导热性使得其温度变化远远滞后于外表面，从而导致沉箱壁厚方向形成较大的非线性温差产生温度应力。已有研究表明往复的温度应力会引起混凝土结构产生裂缝[1-2]，加之沉箱处于恶劣的海水环境中，使得混凝土裂缝发展迅速，极大地降低了沉箱混凝土结构的耐久性。我国已建的码头工程中发现寒冷的东北地区营口港和大连港部分圆形薄壁沉箱结构沿着沉箱四周均匀出现竖向裂缝，如图1所示。

图1 沉箱温度裂缝Fig.1 Temperature crack of caisson

目前，在日照作用下混凝土结构的温度场计算方法研究方面，肖建庄等[3]提出气象参数的时程分析模型，确定了具有一定重现期的气象参数代表值，利用气象参数代表值计算分析混凝土箱梁的日照温度场。赵人达等[4]研究了不同太阳直接辐射强度、散射辐射强度、地面反射辐射强度公式对箱梁顶板、腹板和底板温度场的影响，探讨了便于工程应用的辐射换热系数的合理取值范围，桥梁与环境温差和风速对对流换热系数的影响，以及箱梁不同部位的外界大气温度取值对箱梁内部温度场的影响规律。顾斌等[5]基于气象参数并考虑实际桥址和桥梁走向，建立混凝土箱梁日照温度场有限元模型，分析了大气日温差和日平均风速对混凝土箱梁梯度温度的影响。此外，许多学者在日照作用下混凝土的温度应力方面也取得了一定的研究成果。任翔等[6]分析了3个季节下塔壁高度、厚度方向温差随时间的变化规律，并以日照温度场测试数据为基础，分析了塔壁厚度方向最不利温差作用下桥塔的空间应力分布，结果表明桥塔内、外壁分别在正负温差作用下出现较大的拉应力。谢尚英[7]结合广州猎德大桥的地理位置、方位、气候条件等因素，以热传导理论对索塔的日照温度分布进行分析，并对温度应力进行计算，研究表明通过配筋优化可以有效解决混凝土开裂问题。Zhang等[8]通过实测数据，应用有限元分析方法研究了仙桃汉江公路大桥的混凝土桥塔的温度场，研究表明桥塔混凝土最不利温度应力都发生在冬季，最大应力会引起混凝土开裂。以上学者大多针对日照温度场计算和桥梁结构的温度效应进行研究，但对于水运工程混凝土结构在日照作用下的温度效应导致的混凝土结构病害问题尚未见新的文献报道。

本文以营口港圆形沉箱混凝土空心盖板为研究对象，对混凝土壁厚方向实测7 d温度变化，通过有限元程序建立热传导计算模型，对混凝土温度场进行计算验证，并通过热力耦合计算沉箱空心盖板的应力场，分析日照和环境温度变化对沉箱薄壁混凝土的影响。

1 研究工程背景

营口某港区码头为“蝶式”结构形式，码头系缆墩为重力式圆形沉箱钢筋混凝土结构，系缆墩结构的断面图如图2所示。该系缆墩自下向上由预制圆形沉箱、空心盖板和上层现浇面板组成，其中空心盖板内部为十字形空心方格，如图3所示，空心方格内部充填石子，沉箱顶部与沉箱盖板连接位置在每个十字方格中均设置圆形通气孔。

2 沉箱空心盖板混凝土温度测试

2.1 测点布置及测试时间

沉箱空心盖板每个方格内所属的混凝土壁厚方向以及靠近混凝土壁两侧的环境位置布置温度传感器，空心盖板温度传感器布置方式如图4所示，圆形沉箱空心盖板混凝土沿四周顺时针在四个断面A-A、B-B、C-C、D-D布置温度传感器，在外壁混凝土的四个断面布置4个温度传感器，编号为1#、2#、3#、4#，在相对应的外部环境位置布置温度传感器，编号为1′ #、2′ #、3′ #、4′ #，在壁厚中部混凝土的四个断面布置4个温度传感器，编号为5#、6#、7#、8#，在内壁混凝土的四个断面布置4个温度传感器，编号为9#、10#、11#、12#，在相对应的空腔内部环境位置布置温度传感器，编号为9′ #、10′ #、11′ #、12′ #。对所布置的温度传感器在2018年12月27日16∶00至2019年1月3日14∶00每隔半小时进行温度数据采集。

图2 系缆墩断面图Fig.2 Cross section of cleat

图3 空心盖板剖面图Fig.3 Cross section of hollow plate

图4 温度测点布置示意图Fig.4 Temperature testing measuring points arrangement

图5 温度实测数据Fig.5 Measured temperature data

2.2 温度测试数据

图5给出了四个断面布置的温度传感器实测数据图。从图中可以看出，在实测的7 d外壁混凝土(测点1#、2#、3#、4#)温度和外部环境气温(测点1′ #、2′ #、3′ #、4′ #)随着昼夜变化成周期性变化，空心盖板内壁混凝土(测点9#、10#、11#、12#)温度和内部气温(测点9′ #、10′ #、11′ #、12′ #)变化不随每日昼夜变化而变化，但内部混凝土整体温度呈下降趋势，这是由于混凝土的隔热效应导致内壁混凝土和内部气温随外部昼夜气温变化不明显，而测试前正赶寒流来袭导致外部整体气温下降，空心盖板内壁混凝土和内部气温由于外部气温整体下降而缓慢降低。从图5(b)和(c)可以看出，在1 d中外壁混凝土温度和外部气温从早到晚逐渐升高而后逐渐下降，出现明显的昼夜气温变化规律，主要是B-B和C-C截面属于东南侧和西南侧，受到太阳光照射面的影响所致，而A-A和D-D截面属于东北侧和西北侧，属于背向太阳光照射面，因此其温度变化较B-B和C-C截面随太阳光照射的周期变化不明显。

同时从图中可以看出，A-A、B-B、C-C和D-D截面实测的外界最低温度分别为-10.8 ℃、-9.9 ℃、-8.9 ℃、-11.2 ℃，最高温度分别为-1.1 ℃、10.4 ℃、9.5 ℃、-1.6 ℃。背阳面的A-A和D-D截面实测的温度较低是由北侧日照影响相对较小，导致其温度较低，南侧B-B和C-C截面实测的外界最高温度达到10 ℃左右是由日照的影响造成；A-A、B-B、C-C和D-D截面实测的同一时刻混凝土内外最大温差分别为10.7 ℃、14.8 ℃、11.5 ℃、11.2 ℃，说明向阳面混凝土内外温差较背阳面大。

3 沉箱空心盖板温度场分析

3.1 温度场的热流边界条件

日照作用下沉箱混凝土空心盖板结构和外界存在三种热流，即结构表面太阳辐射热流、结构表面与周围环境之间的对流换热和辐射换热。

(1)太阳辐射热流

结构表面吸收的太阳辐射强度取决于维度、太阳高度角、大气透明度和结构材料等因素，根据文献[9]可得结构表面吸收的太阳辐射热流密度(qs)为：

(1)

式中,α为结构表面的太阳辐射吸收率，取0.65，Is为太阳总的辐射强度，Ibn、Ibh分别为法向和水平面的太阳直射强度，Idh为水平面上的散射辐射强度，θ为太阳入射角，ω为结构表面的倾角，ξ为水面对太阳辐射的反射率，水面取0.2[10]。

(2)对流换热热流

结构表面与周围环境之间的对流换热热流密度(qc)为：

qc=hc(Ta-T)

(2)

式中,hc为对流热交换系数[11]，Ta为大气温度，T为混凝土结构表面温度。

当然，有时候单看颜色也不能说明作者就有抄袭行为，因为有时作者会引用别人的文字或是引用作者自己曾经写过的文章。这种情况下，学术不端文献检测系统提供了百分比数据供参考，一是总文字复制比，另一个是去除引用文字复制比。一般来说，去除引用文字复制比是重要的参考数据。另外，学术不端文献检测系统还提供了疑似问题文章与数据库中已有文章的内容对比参照，将有相同文字的文章用两个窗口一起摊开，相同文字的内容用红色显示，方便检测者判断。

(3)辐射换热热流

结构表面与周围环境之间的辐射换热热流密度(qr)为：

qr=eCs[(Ta+273)4-(T+273)4]

(3)

式中,e为结构表面辐射率，混凝土结构取0.85，Cs为Stefan-Boltzman常数，取5.67×10-8W/(m2·K4)。

图6 有限元模型Fig.6 Finite element model

3.2 模型建立

文中第1节工程背景中所述工程位置的纬度为北纬40.2°，冬季12月份日辐射总量约为6.42 MJ·m-2，日照时长约为8 h。沉箱空心盖板的混凝土标号为C40，混凝土弹性模量为32.5 GPa，泊松比为0.2，热膨胀系数为1×10-5/℃，比热容为970 J/(kg·K)，导热系数为2.33 W/(m·K)。

采用LS-DYNA有限元程序建立沉箱空心盖板有限元空间模型，混凝土采用Solid单元，箍筋采用beam单元，有限元模型(FEM)如图6所示。通过命令*BOUNDARY_CONVECTION_SET在空心盖板内外壁施加对流边界，采用*BOUNDARY_RADIATION_SET在空心盖板内外壁施加辐射边界。通过采用温度场和应力场耦合方法求解空心盖板混凝土的温度和应力分布情况。需要说明的是每个十字空格内外各布置了一个温度传感器，假定其所测温度代表一个空格内外的环境温度，将其施加在有限元模型中进行计算。

3.3 数值结果和实测结果对比

采用所建立的有限元模型进行空心盖板混凝土的温度场计算分析，提取与实测点位置相同的混凝土温度时程曲线，并与实测数据结果进行对比分析，如图7所示。从图中可以看出，混凝土壁外壁测点1#～4#的数值模拟结果与实测结果温度变化趋势一致，1#、2#、3#、4#测点数值模拟结果与实测结果最大偏差分别为0.77 ℃、2.36 ℃、3.05 ℃、1.12 ℃，结果表明向阳面2#、3#测点数值结果与实测结果相对背阳面1#、4#测点误差大，这是由于2#、3#测点有太阳辐射的影响，其数值计算仅采用平均的太阳辐射量进行计算，其与实际情况有所偏差。混凝土壁中部测点5#～8#的数值模拟结果与实测结果温度变化曲线基本一致，其5#、6#、7#、8#测点数值模拟结果与实测结果最大偏差分别为0.21 ℃、0.88 ℃、0.59 ℃、0.35 ℃，其数值计算与实测结果吻合较好。混凝土壁内壁测点9#～12#的数值模拟结果与实测结果温度变化曲线基本一致，其9#、10#、11#、12#测点数值模拟结果与实测结果最大偏差分别为0.23 ℃、0.26 ℃、0.41 ℃、0.26 ℃，其数值计算与实测结果吻合较好。综上所述，所建立的温度场有限元计算模拟方法可以精确地模拟外界温度变化引起的混凝土壁厚方向的温度梯度的变化。

图7 有限元结果与实测数据对比Fig.7 Comparison of test data and FEM calculation results

图8 混凝土应力数值结果Fig.8 FEM calculation results of concrete stress

4 沉箱空心盖板温度应力分析

提取图4温度传感器测点位置的混凝土单元的应力时程曲线，如图8所示。结合图5和图8可以看出，各测点混凝土单元应力随测点位置温度变化而变化，其变化规律为测点温度降低，混凝土应力的数值升高，反之测点温度升高，混凝土应力的数值降低。需要说明的是图中混凝土应力正值代表受拉，负值代表受压。从图8(a)可以看出，A-A断面外壁混凝土(1#测点)最大拉应力为1.61 MPa，最大压应力为0.52 MPa，中部混凝土(5#测点)最大拉应力为0.40 MPa，未出现压应力，内壁混凝土(9#测点)最大拉应力为0.21 MPa，最大压应力为0.27 MPa；从图8(b)可以看出，B-B断面外壁混凝土(2#测点)最大拉应力为2.74 MPa，最大压应力为0.53 MPa，中部混凝土(6#测点)最大拉应力为0.80 MPa，未出现压应力，内壁混凝土(10#测点)最大拉应力为0.08 MPa，最大压应力为0.22 MPa；从图8(c)可以看出，C-C断面外壁混凝土(3#测点)最大拉应力为2.50 MPa，最大压应力为0.67 MPa，中部混凝土(7#测点)最大拉应力为0.46 MPa，最大压应力为0.07 MPa，内壁混凝土(11#测点)未出现拉应力，最大压应力为0.42 MPa；从图8(d)可以看出，D-D断面外壁混凝土(4#测点)最大拉应力为0.29 MPa，最大压应力为1.96 MPa，中部混凝土(8#测点)未出现拉应力，最大压应力为0.48 MPa，内壁混凝土(12#测点)未出现拉应力，最大压应力为0.55 MPa。从上述分析可以看出，2#和3#测点最大拉应力分别为2.74 MPa和2.50 MPa，设计C40混凝土抗拉强度标准值为2.39 MPa，因此在日照作用下沉箱空心盖板B-B和C-C断面外壁混凝土会产生温度裂缝。