高强嵌固板结构混凝土温度作用的认识与思考.pdf

第 3 8卷 第 9期 2 0 1 2 年9 月 水 力 发 电 高 强 嵌 圆 板 结 构 混 凝 土 温 度 作 用 的 认 识 与 思 考 向 弘．杨 梅 中国水 电顾 问集 团 昆明勘测设计研 究院，云 南 昆明 6 5 0 0 5 1 摘 要 结合糯扎渡水 电站溢洪道泄槽底板抗 冲磨混凝土裂缝成 因，通过各种单 因素温度作用 的计算 ，对 比分析 了 混凝土从施工期到运用期全过程 的温度作用 以及运用期仅考虑外界环境温度变化产 生的温度作用 ，指 出了高强嵌 固 板结构混凝土在各种温度作用下全断面受拉 ，防裂难度较大 ，提 出了高强嵌 固板结构混凝土 防裂计算应考虑从施工 期到运用期全过程 的温度作用 ，并建议混凝 土表 面保护不仅仅局限于早龄期 ，至少应保护至过流阶段 。 关键词 混凝土 ；高强嵌 固板结构 ；温度应力 ；温控 ；糯扎渡水电站 Kn o wl e d g e a n d Re fl e c t i o n s o n t h e Effe c t s o f Te m p e r a t u r e o n Hi g h s t r e n g t h F i x e d - s l a b S t r u c t u r a l Co n c r e t e Xi a ng Ho ng ， Yan g Me i f H y d r o C h i n a K u n mi n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， K u n m i n g 6 5 0 0 5 1 ， Y u n n a n ， C h i n a Abs t r ac t Fo r find i ng t h e c au s e s o I c o n c r e t e c r a c k i n g i n t he c hu t e b o t t o m o f s pi l l wa y i n Nuo z ha du Hy dr o p o we r S t at i o n，t h e e f f e c t s o f t e mp er a t u r e c h a ng e s c a u s e d b y a Ⅱf a c t o r s du rin g who l e c o n s t r uc t i o n p r o c e s s f r o m p o ur i ng s t a g e t o o p e r a t i o n s t a g e o n t hi s hi g h-s t r e n g t h fix e d-s l a b s t r u c l u r a l c o n cr e t e a r e c a l c ul a t e d ，a n d t h e e f f e c t s o f e nv i r o n me n t t e mpe r a t u r e c h a ng e s d u rin g o p e r a t i o n p e r i o d a r e a l s o a n a l y z e d ．’t he c a l c ul a t i o n s s ho w t h a t t h e h i g hs t r e n g t h fix e ds l a b s t r u c t ur a l c o nc r e t e i s f u l l y pu l l e d u n d e r a l J t e mp e r a t u r e c o n d i t i o n s ． a n d t h e c r a c k i n g c o n t r o l i s v e r y d i ffi c u l t ． I t i s s u g g e s t e d t h a t t h e c r a c k i n g c o n t r o l c a l c u l a t i o n o f h i g h- s t r e n g t h fi x e d s l a b s t ru c t u I a l c o n c r e t e s h a l l c o n s i d e r t h e e f f e c t s o f wh o l e p r o c e s s t e mp e r a t u r e f r o m p o u ri n g s t a g e t o o p e r a t i o n s t a g e ， a n d t h e s u r f a c e i n s u l a t i o n p e r i o d o f c o n c r e t e s h a l l b e p r o l o n g e d fr o m t h e e a r l y a g e t o o v e r fl o w i n g s t a g e a t l e a s t ． Ke y W o r d s c o n c r e t e ；h i g h - s t r e n g t h fi x e d s l a b s t r u c t u r e ；t e mp e r a t u r e s t r e s s ；t e mp e r a t u r e c o n t r o l ；Nu o z h a d u Hy d r o p o we r S t a t i o n 中图分类号 T V 3 1 5 2 7 4 文献标识码 A 文章编号 0 5 5 9 9 3 4 2 2 0 1 2 0 9 0 0 4 7 0 4 水 工 建 筑 物 溢 洪 道 泄 槽 底 板 混 凝 士 强 度 等 级 高 、厚 度 薄 、面 积 大 ，根 据 规 范 要 求 ， 应 按 混 凝 土 浇 筑 施 工 期 和 结 构 运 用 期 分 别 考 虑 温 度 作 刚 的 影 响 。 糯 扎 渡 水 电 站 溢 洪 道 泄 槽 段 总 宽1 5 1 ． 5 ru， 用 中 隔 墙 分 为左 、 中 、右 3个 泄 槽 ，泄 槽 底 板 每 1 5 m 宽 设1道 纵 向 伸 缩 缝 ， 陡 槽 段 横 缝 间 距 为 6 5 ～ 1 2 8 m ．底 板 设 计 厚 度 0 ． 8 ～1 ． 0 m。 混 凝 土 设 计 指 标 为 C1 8 0 5 5 W 8 F l O 0，为 典 型 的 高 强 嵌 固 板 结 构 混 凝 土 。 本 文 结 合 糯 扎 渡 水 电 站 溢 洪 道 泄 槽 底 板 抗 冲 磨 混 凝 土 裂 缝 成 因 ．采 用 三 维 有 限 元 法 对 泄 槽 底 板 混 凝 土 从 施 工 期 到 运 用 期 全 过 程 的 温 度 作 用 ， 以 及 运 用 期 仅考 虑 外 界环 境 温度 变 化 产 生 的温 度 作 用进 行 了对 比 分 析 1 温度应力 1 ． 1 水化 热产 生 的温度应 力 根 据 糯 扎 渡 水 电站 溢 洪 道 泄 槽 底 板 结 构 体 形 板 厚 1 ． 0 ru ，计 算 了 不 同 浇 筑 块 长 的 水 化 热 温 度 应 力 变化 情 况 。计 算 时 ，假 定 混 凝 土初 始 温度 、基 础 初 始 温 度 和 外 界 气 温 均 相 等 ， 通 水 冷 却 ，水 管 间 距 1 ． 5 ruX1 ． 0 m．浇 筑 后 前 5 d通 水 流 量 为 1 ． 8 in 3 ／ h，5 d后 通 水 流 量 为 1 ． 2 m ／ h，冷 却 水 温 为 1 2℃ ，混凝 收 稿 日期 2 0 1 2 0 7 0 7 作者简 介向弘 1 9 6 9 一 ，男 ，四川仁 寿人 ，高级 一 『 程师 ，主 要从 事混凝土温控设计 工作． Wa t e r P o w e r V o 1 ． 3 8 N o ． 9豳 水 力 发 电 2 0 1 2年 9月 土 温度 达到 2 6 ～ 2 8 o C时结 束通水 后 自然冷 却 。 图 1为 水 化 热 温 度 应 力 过 程 线 。 从 图 1可 知 ， 在 4 d以前 ，板 内全 断 面 受 压 5 d以后 ， 表 面 开 始 出现 拉应 力 ，随 着 时 间 的延 长 ，受 拉 范 围逐 步 向下 扩 展 ；2 8 d后 ，全 断面受 拉 ，1 8 0 d以后 基 本稳 定 ， 并 长期 存在 。 图 2为沿 浇 筑 块 中线 自表 向 内的 水化 热 应力 包 络 线 。从 图 2可 知 ，水化 热 温 降在 混 凝 土 内部产 生 的 抟 应 力 最 大 。 由 于 浇 筑 块 厚 度 仅 为 长 边 的 1 ／ 1 2 0 ～ 1 ／ 1 5，基 础 约 束影 响整 个 底 板 ．水 化 热 在 混凝 土 表 面 产 生 的 拉 应 力 也 较 大 ， 约 为 最 大 值 中 部 的 4 5 ％。水 泥水 化 热 产 生 的拉 应 力 与浇 筑 块 长 度有 一 定 的关 系 ，但差 别 不 大 ，1 2 0 m块 长 应力 值 较 3 0 m 块长 增加 约 7 ％ 鲁 ＼ 世 b 图 1 水化热温度应力过程线 n ／ MP a 图 2水化热温度应力包络线 1 ． 2气 温 年变化 产 生的温 度应 力 T地 5月 气 温 最 高 ，1月气 温 最 低 ，气 温 年 变 化按 多年 各月 平均气 温拟 合成 余弦 函数 。5月份 和 1 月份 浇 筑 的不 同块 长混 凝 土 ．在 气 温年 变 化作 用 下 产 生 的 温 度 应 力 见 图 3 。从 图 3可 知 1 对 混 凝 土 的影 响深 度 随 混凝 土 龄期 的增 加 而增 大 ，且 整 个底 板 均 受影 响 。 当混 凝 土 达 到一 定 龄 期 后 ，全 断 面 受 拉 。 2 在 混 凝 土 内 产 生 的 应 力 呈 周 期 性 变 化 。 5 月 浇 筑 的 混凝 土 ．进 入 翌 年 1月 份 拉应 力 最 大 ，之 后 随 着 气 温逐 渐 升 高 ，温 度应 力 逐 渐下 降 ，到月 平 均 气 温 最 大 月 时 ．温 度 应 力 降 到 最 低 值 。 1月 浇 筑 的 混 凝 土 ， 气 温 年 变 化 在 混 凝 土 内 先 产 生 压 应 力 ， 1 I 3 wm P r P o fj I e r V o e ． 3 8 iV m 9 a表⋯ 时 ／ 一 ”一 F j b建基 面 图 3气 温 年 变 化 产 生 的应 力 到 5月 份 气 温 最 高 时 压 应 力 最 大 ，之 后 随 着 气 温 逐 渐 下 降 ， 温 度 应 力 逐 渐 向 拉 应 力 方 向 发 展 ． 到 翌 年 1月 份 拉 应 力 达 到 最 大 ，但 总 体 小 于 5月 份 浇 筑 的 混 凝 土 。 3 引 起 的 拉 应 力 与 浇 筑 块 长 度 有 一 定 的 关 系 浇 筑 块 长 越 长 ，拉 应 力越 大 ，但 差 别不 大 ．1 2 0 i n 块 长应 力值较 3 0 m块 长增加 约 4 ％。 4 在 混 凝 土 表 面 产 生 的 应 力 仅 比 在 内 部 产 t 的 应 力 大 约 2 9 ． 3 ％ 1 ． 3 气温 骤 降产生 的温度 应力 根 据 工 地 气 象 监 测 资 料 ， 计 算 了 2 日型 降 温 6 ℃、3日型 降 温 9℃以及 3 口型最 大 降温 l 2 ． 8℃存 混 凝 土 内 产 生 的 应 力 。 气 温 骤 降 时 ，外 界 温 度 按 降 温历 时 及 降温 幅度 拟 合 为线 性 函数 。气 温骤 降在 混 凝 土 表 面 产 生 的 最 大 应 力 见 表1 ． ．沿 浇 筑 块 中 线 自 表 向内 的应力包 络线 见图 4。结果表 明 1 气 温骤 降影 响整个 底板 ，底板 全 断 面受 托 。 2 最 大批 应 力 出现 在 表 面 ，浇 筑 块 降 温龄 期 越 晚 ．应 力 越 大 3 气 温 骤 降 引 起 的 拉 应 力 与 浇 筑 块 长 度 有 一 定 的关 系 ，但差 别不 大 。对混凝 土 表面而 言 ，1 2 0 m 块 长 应 力 值 较 3 0 m 块 长 增 加 约 3 ％。 1 ． 4气温 日变化 产生 的温 度应 力 为便 于计算 ，按 不 同 的 日温差 ，分 别 拟 合成 余 弦 函数 ，按 第 j类 边 界 条件施 力 【 { 。 臼温差 在 混 凝 土 表 面 产 生 的 最 大 拉 应 力 见 表 2 ． 不 同 龄 期 日 温 差 产 2 7 2 7 2 3 8 3 8 2 1 O O 0 O 出 ～ 一瘩 2 7 2 7 2 3 8 3 8 2 O 0 臼 0 毫 R 至 第 3 8卷第 9期 向 弘， 等 高强嵌固板结构混凝土温度作用的认识与思考 表 1 气 温 骤 降 时表 面 最 大 应 力 MP a 吕 ＼ 型 坠 世 翼 E ＼ 陟 世 J J 踺 1 2 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 J 、 力 ／ MP a a块 K 1 2 01T 1 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 i 3 7 a b块 长3 0 n 1 图 4 气 温骤 降产生的应力 表 2 日温差在混凝土表面产 生的最 大应 力 MP a 生 的 拉 应 力 在 混 凝 土 板 厚 度 方 向 的 分 布 见 图 5 。 结 果 表 明 1 日温 差 作 用 时 间 短 ， 对 混 凝 土 影 响 深 度 有 限 ， 大 约 1 1 1 1 ， 即 可 在 1 1 1 1 厚 度 内 引 起 一 定 幅 度 的 拉应 力 。 2 日温 差 越 大 ，产 生 的 应 力 越 大 ； 混 凝 土 龄 期 越 长 ， 应 力 也 越 大 ，并 且 在 混 凝 土 表 面 产 生 的 拉 应 力 最 大 ，沿 底 板 厚 度 方 向 递 减 梯 度 较 大 。 3 浇 筑 块 长 度 对 日温 差 引 起 的 拉 应 力 产 生 的影 鲁 ＼ 世 褒 目 ＼ 蛰 世 | n ／ MP a a块长 1 2 0m 应力 ／ MP a b块 长 3 Om 2 图 5 日温差 1 5 oc产 生 的 应 力 响很 ／ J 、 。 1 ． 5温度作 用组 合 根据 实 际情 况 ，施 工期 温 度 作用 组 合 为 水 化 热气 温 年 变 化日温 差 1 5℃ 3 13型 降 温 1 2 ． 8℃ 在“ 气 温 年 变化 日温 差 1 5℃ 3 日型降 温 1 2 ． 8℃” 的 基础 上 ，运 用 期 温度 作 用 组合 计 水 化热 和 不 计水 化 热作 用 。 1月 份 和 5月 份 浇筑 的混 凝 土 ，承 受 温 度 作 用 的 抗 裂 安 全 系 数 见 表 3 。 从 表 3可 知 1 水 化 热结 束 后 ，水 化 热 温 降过 程 中产 生 的 应 力 不 会 消 失 ，并 长 期 存 在 。 在 表 面 产 生 的 温 度 应 力 约 占 温 度 应 力 组 合 的 9 ． 2 ％～ 1 1 ％ ；在 混 凝 土 中 部 产 生 的 温 度 应 力 约 占 3 5 ％～ 6 2 ％ 。 因 此 ，不 考 虑 混 凝 土结构 运 用期 就可 能偏 于不安 全 。 2 对 于嵌 固板 结 构混 凝 土 ，水 化 热 、气 温年 变化 、 日温 差 等 温度 作 用 产生 的应 力从 混 凝 土 开始 浇 筑 时 就 产 生 ，并 一 直 伴 随 。 3 嵌 固板 结 构 混凝 土 防裂 计算 应 考 虑 从施 工 期 到 运 用 期 全 过 程 的 各 种 温 度 作 用 。 2 关于混凝土表面保护的认识 混 凝 土 表 面 承 受 外 界 气 温 变 化 产 生 的 应 力 ，不 仅 与混凝 土 龄 期 有关 ，而 且 与混 凝 土 浇筑 时 段及 气 温 骤 降 发 生 的 时 间 有 关 ， 即 与 发 生 气 温 骤 降 时 混 凝 土 内 的应 力 大 小 有 关 。 为 此 ，选 取 1月 和 5月 浇 筑 的混凝 土 ，计 算混 凝 土达 到设 计 龄期 1 8 0 d后不 保 护 和保 护后 的最小 抗裂 安全 系数 。计 算结果 表 明 1 1月 份 浇筑 的混 凝 土 ，进 入翌 年 1月 份 时 ， 气 温 年 变 化 产 生 的拉 应 力 最 大 ，再 遭 遇 气 温 骤 降 ， 气 温 年变 化 叠 加气 温 骤 降 ，虽 然 混 凝 土龄 期 已远 大 ff ／ c a e r P o u r I／ o ／ 3 8 f} ‘ 9 警 2 0 8 6 4 2 O l 1 O O O O 2 O 8 6 4 2 O 1 O O O O 水 力 发 电 2 0 1 2年 9月 于设 计 龄期 ，但 表 面抗 裂安 全 系数 也仅 在 1 ． 0左 右 ， 开 裂 的可 能 性 很 大 。 同样 ．5月 份 浇 筑 的 混 凝 土 ． 进 入 翌 年 1月 份 ， 气 温 年 变 化 已 在 混 凝 土 表 面 产 生 较 大 的手 i 7 应力 ，此 时冉 遭 遇气 温 骤 降 ，气 温 年 ， 变化 卺 加气 温 骤 降 ，混 凝 土表 面抗 裂安 全 系数 小 于 1 ． 0， 混 凝 土 表 面 必 裂 。 这 是 冈 为 ，嵌 固 板 厚 度 远 小 于 其 半 面 尺寸 ，气 温年 变 化 、气 温骤 降 、 日温差 均 影 响 整 个 断 面 ，受 基 岩 约 束 ，混 凝 土 全 断 面 受 拉 。 2混凝土表面覆盖等效放热 系数 9 k Y mZ - h o C 的保 护材 料 后 ，抗 裂 安 全 系 数 明显 提 高 ，表 面 在 1 ． 3 2 ～ 1 6 4 3气温年变化 是永 久可变作用 ，气温骤降 寒 潮 是 不 可 控 偶 然 作 用 ，为 预 防 在 混 凝 土 表 面 产 生 较 大的托应力 ，表面常年保护 是有效 的温控 防裂措施 。 3 结语 1 溢 洪 道 泄 槽 底 板 混 凝 土 属 典 型 的 高 强 嵌 同 板 结 构 混 凝 土 ，浇 筑 块 平 面 尺 寸 远 大 于 其 厚 度 ，水 化 热温 降 、气 温 年 变化 、气 温骤 降 、 日温 差 均影 响 整 个 断 面 受 基 岩 约 束 ，混 凝 土 全 断 面 受 批 ， 防 裂 难 度 大 2 运 用 期 ．对 于 厚 度 大 于 2 0 1 T I 的 大 坝 混 凝 土 ． 由 丁气 温 年 变 化 仅 能 影 响 至 混 凝 土 1 5 I l l 深 度 ， 对混凝 土表 面 可仅 考 虑 外界 气 温 、水 温 、结 构 表 面 日 照 等 冈 素 。 对 于 厚 度 仅 1 ． 0 m 的 大 面 积 超 长 浇 筑 块 结 构 ．气 温 年 变 化 影 响 整 个 底 板 ，运 用 期 仅 考 虑 外 界 气 温 、水 温 、结 构 表 面 日照 等 因 素 ，不 叠 加 施 工 期 水 化 热 温 度 应 力 ，就 可 能 偏 于 不 安 全 。 3 严格控 制混凝 土 最高温度 ，加 强表 面保 护 ． 可 防 止 施 工 期 产 牛 裂 缝 。 混 凝 土 达 到 设 计 龄 期 后 ． 其 表 面暴 露 在 空 气 中 ，在 气 温 年 变 化 、骤 降 寒 潮 、 日温 差 共 同 作 用 下 ， 混 凝 土 表 面 仍 有 可 能 丌 裂 。 因此 ，需 要 重 视 混 凝 土 的 常 年 保 护 。 4 高 宽 比 对 浇 筑 块 应 力 分 布 有 着 显 著 影 Ⅱ 向 、 当 ／ ， J 1 1 8时 ， 中 央 断 面 整 个 高 度 接 近 于 均 匀 受 托 ． 基 础 约束 系 数 为 0 ． 9 9 7～ 0 ． 9 6 2 当 月／ ， J 1 ／ 1 0时 ，殛 础约 束 系数 为 0 ． 9 2 ～1 。气 温 骤降 任 坝块 表 层 降温 的 收缩基 本受 到全 约束 ，即约束 系数 接 近于 1 ． 0 。 5 对 于 厚 度 仅 为 1 ． 0 n l的 浇 筑 块 ． 当 块 长 大 于 8 m 以上 ，均匀 温 降 产生 的 温度 应 力会 使 浇 筑块 中 央 断 面 全 断 面 受 拉 。 为 降 低 混 凝 土 裂 风 险 ， 除 限 制 混 凝 土 最 高 温 度 外 ，重 要 的是 减 小 浇 筑 块 寸 ， 参考文献 『 1 ] 朱伯芳．大体 积混凝 土温度应力 与温度控 制 M ． 北京 巾 【刊r U 力 f_}{ 版社 ，1 9 9 9 『 2 ] 朱伯芳． 混凝 土坝理论 与技术新进展 『 M] ． 北京 巾 水 力水 电 出版 社 ，2 0 0 9 ． [ 3 ] 朱 伯芳 ，张 超然 ． 高 拱坝 结构 安全 关键 技 术研 究 M ． 北京 巾罔水利水电出版社 ，2 0 1 0 ． 『 4 ] 龚召熊． 水 亡 混凝土 的温控 防裂 『 M] ． 北京 中【 水利水 I 出 版S t ． ，1 9 9 9 ． 责任 编辑杨 健 株洲南方 阀门开发的三种阀门产 品通过水利部组织的新产品鉴定 2 0 1 2年 5月 2 8日，水利部在株洲市举行新产 品鉴定会 。南株洲南方阀门股份 有限公 司研制开发 的 “ HL 9 4 X导流型活塞式 控制阀” 、 “ J D 7 4 5 X新 型防泥沙多功能水 泵控制 阀”和“ K D 7 4 1 X ／ H双密封重锤式液控蝶阀”通过 了包括张勇传 、茆智 、下浒 3 院十存内的专家委员会的鉴定 专家鉴定委员会 南中国丁程院院士张勇传 、峁智 、王浩 ，以及 中国水科 院、清华大学 、湖南大学 、水利部各大勘测 没计 院 等 单位的专家组 成 ，其 中张勇传院士、茆智 院士 、王浩 院士分别担任鉴定委员会主任委员和副主任委员。 鉴定委员会认真审查 了产品研 制资料 ，听取 了产 品创新 、检测和使用情况介绍 ，实地考察了产品生产情况 ，并对相 Z - 问题 进行 了讨论 、质询 ，提出 了鉴定意见。专家一致认 为 ，该 公司开发 的 3个新产 品性能稳定 ，对高压力和大乐差T况具有优越的 调节和控制 功能 ，具有消能 、减振 、防空蚀和降噪的特点 ，使用 寿命长 ，水力损失小 ，节能效果好 ，产品整体技术均达到同际 领 先水半 研制单位具备较完备的生产设备 、工艺文件 、试验检测设备 、质量保证措施和批量 生产 的条件。