水工闸坝混凝土在冻融条件下应力分布探讨

郝姣姣

(阜新市产业技术研究院，辽宁 阜新 123000)

0 前 言

水工闸坝混凝土的应力计算是其稳定性设计的重要指标，尤其是北方地区，冻融条件下水工闸坝混凝土应力影响的关键要素，需要对其应力影响进行分析和探讨，从而提高其运行稳定和安全性[1]。近些年来，对于水工闸坝混凝土应力设计研究的成果较多[2-10]，但是对于其冻融影响的研究还较少，为提高水工闸坝在北方地区的运行稳定性，亟需对其冻融条件下的应力进行分析。为此结合应力理论计算模型，对其冻融条件下的水工闸坝应力分布进行探讨，研究成果对于北方水工闸坝混凝土稳定施工设计具有参考意义。

1 应力分布计算模型

水工闸坝在冻融循环条件下其水平和纵向应力分布的计算方程分别为：

(1)

(2)

式中：Pj为水平应力，kN；Aj为应力面积，m2；Ac为应力挤压面积，m2；γ为混凝土冻融条件下的斜向转角，°。水工混凝土应力挤压面积计算方程为：

AC=π(d'+6h)lsinβ

(3)

式中：d'为混凝土桩体宽度，m；l为桩体横向间距，m；β为顶缝斜向角度，°。对水工闸坝横向应力Pt进行计算：

(4)

式中：Pt为横向应力，kN)；α为转角系数。模型对其转角系数和顶缝斜向角度计算方程分别为：

(5)

(6)

式中：fcu为水工闸坝抗压强度，kN)；fcu'为冻融影响下的抗压强度，kN；φ为刚面转角，°。 对水工闸坝稳定性系数进行计算：

(7)

式中：fc为折减系数；k1-k4分别为计算系数；J2为计算横向应力，kN；I1纵向应力，kN。

2 实例分析

2.1 工程概况

以辽河某闸坝工程为具体实例，对该水工闸坝混凝土冻融循环影响下的应力分布进行计算，该水工闸坝为钢混结构，其地质参数如表1所示。文章结合该水工混凝土闸坝的地质参数，对其冻融影响下的应力分布进行计算分析。

表1 水工闸坝工程地质参数

2.2 应力计算误差分析

结合应力计算模型，对水工闸坝不同钢混直径下冻融循环次数影响的应力进行计算，计算结果如表2所示。

表2 不同钢混直径下水工闸坝混凝土应力计算结果

从分析结果可看出，水工闸坝的钢混直径对其应力影响较大，应力随着冻融次数的增加而递增较为明显。受到水工闸坝应力面积的影响，不同直径下混凝土应力变化当冻融循环次数介于16-25次时较为稳定，这主要受到水工闸坝摩擦阻力加大的影响，使得其应力变化有所减小。计算应力和测定的应力之间计算误差总体低于20%，相关系数可达到0.65以上，具有较好的相关度，且随着冻融循环次数的增加，其应力总体呈现指数变化。

2.3 冻融影响下的水工闸坝应力分布结果

对不同深度冻融循环次数影响下的水工闸坝应力分布进行计算，计算结果如表3所示。

表3 冻融影响下的水工闸坝应力分布计算结果

从冻融影响下的水工闸坝应力分布计算结果可知，随着深度的递增各冻融次数下的应力都有所增加，不同深度的应力分布当冻融次数达到25次以后逐步趋于稳定变化，在初始阶段，冻融次数增加其应力分布变化较大，而当冻融次数增加到一定次数后，水工闸坝的抗剪应力强度达到最大值，使得其应力变化减小，逐步趋于稳定变化。水工闸坝混凝土应力分布随着冻融循环次数增加呈现S形变化，受冻融循环次数增加其闸坝体混凝土之间的黏聚力有所减少，当冻融循环次数高于25次以后，其混凝土含水率降低，摩擦阻力区域稳定，利用水工闸坝的稳定运行。

3 结 论

1)受到水工闸坝应力面积的影响，不同直径下混凝土应力变化当冻融循环次数介于16-25次时较为稳定，这主要受到水工闸坝摩擦阻力加大的影响，使得其应力变化有所减小。

2)计算应力和测定的应力之间计算误差总体低于20%，相关系数可达到0.65以上，具有较好的相关度，且随着冻融循环次数的增加，其应力总体呈现指数变化。

3)水工闸坝混凝土应力分布随着冻融循环次数增加呈现S形变化，受冻融循环次数增加其闸坝体混凝土之间的黏聚力有所减少，当冻融循环次数高于25次以后，其混凝土含水率降低，摩擦阻力区域稳定，利用水工闸坝的稳定运行。