大体积混凝土重力坝施工温度控制措施研究

余 琳

（江西省水投建设集团有限公司,江西 南昌 330000）

1 引言

混凝土施工过程中产生过高的温度将对混凝土施工质量产生不利影响,因此,在混凝土施工过程中需要采取适宜的措施控制混凝土内部温度,保证混凝土浇筑质量。在混凝土浇筑过程中提前布置冷水管控制施工温度是常用的方法。目前,有较多的专家对混凝土施工温度控制方法进行了较为详尽的研究。根据前人研究可知,数值模拟分析方法在大体积混凝土施工温度的研究中积累了丰富的成功经验,在施工过程中布置冷水管可有效控制混凝土施工温度,但是不同的管线布置方式对温度控制效果影响较大。

2 混凝土温度计算原理

2.1 混凝土结构温度场

在混凝土施工过程中,受到水泥水化热有影响,混凝土内部温度是动态变化的,在水泥水化放热影响下,混凝土内部温度将随之变化。为了分析简便,可将混凝土内部市委存在一处热源,在热源作用下混凝土温度不断发生变化。混凝土内部应力场可满足下述条件：

式中：T、a、θ分别为混凝土温度、导热系数、绝热温升；τ为时间。

采用冷水管降温时,热传导方程为：

式中：T0、0为混凝土初始温度、最终绝热温升；Tw为冷水温度；φ、Ψ为与冷却效果有关的函数。

2.2 温度应力

温度应力主要是由于混凝土内部的初始、最终温度不同,两者之间存在温差,在温差作用下会导致混凝土内部出现温度应力,当超出一定程度时可导致混凝土出现裂缝,影响混凝土施工质量。

式中：Kp、R 分别为应力松弛系数、约束系数；Ec、分别为混凝土弹性模量、泊松比； 为温度线膨胀系数；k 为混凝土温升折减系数；Tf、B 分别为水化热温升、温度应力系数；c为形变影响系数；ε0为初始应变。

3 数值模拟模型建立及参数选取

3.1 模型建立

大坝为重力坝采用混凝土浇筑,属于1 级建筑物。在研究阶段,考虑采用冷水管控制混凝土坝施工过程中的温度,根据相关工程经验[1],冷水管置方案如下：2 m×2 m,2 m×1 m,1 m×1 m。冷水管进水温度为10℃。冷水管布置方式见图1。

图1 冷水管布置示意图

3.2 计算参数选取

ANSYS 是目前常用的温度场耦合数值分析计算软件,可以有效分析大体积混凝土浇筑过程中的内部温度变化情况[2-4]。使用ANSYS 导出混凝土内部变化的热分析结果,作为温度应力分析混凝土大坝施工过程中的温度荷载,从而模拟坝体内部的应力情况,不同材料的数值计算参数见表1。

表1 数值模拟计算参数取值

3.3 混凝土徐变假定

采用ANSYS数值模拟分析时,混凝土徐变的计算原理如下：

式中：c 为混凝土的徐变程度；t-τ为持荷时间；k、A、B、D、 为徐变拟合的参数。混凝土徐变各参数取值见表2。

表2 混凝土徐变各参数取值

4 混凝土施工温度数值模拟计算结果

4.1 温度场变化特征

为分析冷水管布置方案对混凝土施工温度的控制效果。在坝体内部和表面布置监测点,获取坝体内部的温度场和应力场变化特性。其中,监测点JC1 位于第三分层建筑的中心点位置,JC2 位于第三分院的表面。冷水管通水时间从第三层浇筑之日开始,通水时间终止时间为混凝土浇筑完成后10 d。通水结束后继续对混凝土温度变化进行监测,监测点的检测侧数据见图2。

图2 内部监测点JC1 温度变化特征

由图2 可知,采用不通水或者不同水管布置方案下混凝土内部温度均表现为先增后减的变化趋势。通过对比通水、不通水条件下的温度变化速率可知,采用冷水管降温可以有效控制混凝土内部问题,冷水管间距越小,内部降温越显著。由于冷水管进水口水温较低,采用1 m×1 m 间距时,混凝土内部温度将低于大气环境温度,此时将可能导致温度应力超过混凝土抗拉强度,将导致混凝土出现拉张裂缝。混凝土表面监测点JC2 的温度变化趋势同外界大气环境温度。

4.2 应力场变化特征

应力场分析时间为混凝土浇筑完成后20 d 时间范围,其中浇筑结束后10 d 内冷水管持续进水降温,后10 d 为停止浇水后的变化情况。根据前述内容,建立ANSYS 数值分析模型,对顺水流和平行水流方向的应力变化情况进行分析。

不同水管间距下内部监测点JC1 的平行水流方向的应力变化情况见图3。由图3 可知,内部监测点JC1 在整个过程中均表现为受压作用,其中20 d～25 d 时间范围内压应力不断增大,之后压应力逐渐减小。这种压应力减小的变化过程中主要是由于冷水管通水降温,内、外温差减小造成的,之后混凝土压力急剧增大,该变化主要是由上部混凝土施工产生的荷载造成的,之后混凝土压力应力以较低的速度进行增大。与不采取降温措施相比,采用冷水管通水后,混凝土内部压应力有所降低,表明,降低混凝土内部温度应力,有利于混凝土的施工质量。

图3 JC1 水平方向应力变化趋势

不同水管间距下外部监测点JC2 的平行水流方向的应力变化情况见图4。由图4 可知,外部监测点在整个监测区间段内均表现为承受拉应力,主要是由于内、外部环境之间温差较大,混凝土温度应力导致表面受拉。当开始浇筑上层混凝土时,应力突变,数值模拟数据显示,当冷水管布置间距为1 m×1 m 时,混凝土内部的拉应力最大,其主要原因是混凝土内部冷水管密度大导致温度变化较为剧烈,从而导致内部出现较大的拉应力。

图4 JC2 水平方向应力变化趋势

不同冷水管布置方案监测点JC2 的最大拉应力情况见图5。由图5 可知,监测点主要承受拉应力,其中冷水管间距为1 m×1 m 时拉应力最大,超过2.1 MPa,混凝土将产生拉张裂缝,导致施工质量不满足要求。

图5 JC2 最大拉应力变化趋势

5 结论

采用ANSYS 数值分析方法对大体积混凝土重力坝施工温度控制效果进行研究,数值计算结果表明：采用冷水管进行温度控制,可以有效控制混凝土内部温度,冷水管布置密度越大控温效果越好,当密度过大时,可能导致混凝土温度低于大气环境温度,从而降低混凝土施工质量。根据应力监测数据可知,当水管密度过大时,当导致混凝土表面拉应力过大,甚至超过抗拉强度,将造成混凝土表面出现裂缝,从而降低施工质量。当采用冷水管进行降温时,需要控制冷水管密度,从而有效降低温度,保证工程质量。