大体积水工混凝土结构的温度应力计算与分析_田凯.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（2）由于大体积混凝土在施工中存在着温度裂缝、收缩裂缝等施工难点1。国内外的大量工程实践证明：大体积混凝土释放的水化热引起混凝土内部温度剧烈变化，由此产生的温度应力可能导致混凝土出现贯穿裂缝，从而影响结构的整体性，成为结构物隐患2。此外，混凝土内的水分蒸发引起体积收缩，这种收缩过程总是由表及里，逐步发展的，由于湿度不均匀，收缩变形也不均匀，混凝土浇筑块的平均收缩变形助长了温度变形引起的应力，引起表面裂缝。为此，在大体积混凝土施工中，控制混凝土浇筑块体因水泥水化热引起的温升、混凝土浇筑块体的内外温差及降温速度，防止混凝土出现有害的温度裂缝（包括混凝土收缩）是施工技术的关键问题。1计算方法根据王铁梦教授 工程结构裂缝控制 的大体积混凝土抗裂计算方法，大体积混凝土温差主要由3部分构成：收缩当量温差、混凝土绝热温升、环境温度。最大应力计算公式为：max=(t)=Kp(t)R(t)E(t)1-T(t)Kp（t）时间t由混凝土徐变引起的应力松弛系数，根据龄期不同查表估算；R（t）约束系数；E（t）时间t混凝土弹性模量，考虑龄期的混凝土弹性模量公式；混凝土线膨胀系数；混凝土的泊松比；T（t）时间t综合温差，为时间t时收缩变形当量温差和考虑环境温度后的混凝土绝热温升导致温差之和。现就国内某航电枢纽厂房7#、8#机组段底板混凝土进行温度应力计算与分析，并提出相应措施。2计算基本资料（1）计算参数。计算参数见表1。表1计算参数表项目取值水泥用量（425OPC水泥）W152 kg混凝土28 d弹模Ec4104N/mm2混凝土线膨胀系数0.810-5/水泥水化热Q350kJ/kg混凝土重度2 450kg/m3混凝土泊松比0.167（2）各龄期弹性模量公式。E(t)=(1-e-0.09t)Ec式中E（t）：龄期t时的混凝土弹性模量；Ec：混凝土28 d弹模（N/mm2），取4104N/mm2；t：龄期（d）。（3）各龄期绝热温升公式。施工期应力计算采用施工方提供的实测温度资料，运行期应力计算绝热温升采用以下公式：T=Tm()t+t0D+()t+t0大体积水工混凝土结构的温度应力计算与分析田凯，余金凤，张宪明，黄文清（广西水利电力职业技术学院，南宁530023）摘要水电站的厂房结构复杂，混凝土体积较大，容易在施工期和运行期温度应力的作用下产生裂缝。利用王铁梦教授提出的大体积混凝土抗裂计算方法，在考虑干缩影响的前提下，对某航电枢纽厂房底板混凝土结构和厂房混凝土温度应力进行了计算，对高温季节和低温季节的混凝土浇筑提出了一些温控措施及建议。关键词大体积混凝土；水工结构；温度应力；计算分析中图分类号TV315文献标识码A文章编号1003-1510（2023）02-0057-06收稿日期2023-01-05基金项目2019 年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目 基于虚拟仿真技术的大体积混凝土温控防裂研究（项目编号：2019KY1327）的研究成果。作者简介田凯（1980-），女，湖北武汉人，广西水利电力职业技术学院高级工程师，硕士，主要从事水工结构仿真分析研究。规划设计 57DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.02.002田凯，余金凤，张宪明，黄文清:大体积水工混凝土结构的温度应力计算与分析式中：T：绝热温升值（）；Tm：最终温升值（）；t：龄期（d）；t0、D：试验参数。3厂房78#机组段底板混凝土浇筑块温度应力计算过程3.1基本情况4月11日，厂房78#机组段底板混凝土开仓，浇筑厚度1.3 m。78#机组段底板混凝土强度等级为 C25F50W6 三级配，混凝土入仓温度为 21.0。28 d抗压强度为28.6 MPa，7 d及28 d的劈裂抗拉强度分别为1.64 MPa、2.48 MPa。厂房78#机组段底板混凝土浇筑块最大尺寸为L：浇筑块长边尺寸，L=25 080 mm。施工期浇筑块厚度，H=1300 mm，用于施工期约束系数R（t）计算。3.2计算过程混凝土在浇筑完成的前期收缩较大，之后逐渐变缓，但混凝土收缩持续时间很长，通常是几个月甚至是几年3。因此在温度计算中必须把收缩这个因素考虑进去。工程上，通常把混凝土的自身收缩等量为温差来进行计算，然后将其与环境温度进行叠加就得到了结构的实际计算温度4。这个计算温度才是我们用来计算结构温度收缩效应的最终温度。王铁梦教授在对有关国家近20年间的1220 次实验数据进行了整理5，：研究了大量有关混凝土收缩理论的文献后，提出了混凝土收缩当量温差的计算公式。3.2.1收缩当量温差T1(tn-tn-1)=T1(1-e-btn)-T1(1-e-btn-1)任意时间段tn-tn-1收缩当量温差：T1：最终收缩当量温差，按下公式计算：T1=M1 M2 M10式中：为标准状态下混凝土的极限收缩值，一般取=3.2410-4mm；M1M10为影响混凝土收缩的相关修正系数，其取值在文献2中查表2-1至2-5都有相关规定：水泥细度330 m2/kg，取M2=1.04；骨料为砂岩为主，取M3=1.9；C25混凝土，水灰比为0.47，M4=1.15；取M8=1.44；其余参数正常，取1.0。：混凝土线膨胀系数；混凝土构件的温度每改变1时，其长度的变化与它在0时的长度之比，称为混凝土的线膨胀系数。在 混凝土结构设计规范（GB50010-2010）中规定，构件所处温度在 0100时，混凝土的线膨胀系数可以取110-5/，考虑到收缩影响，本次计算取为0.810-5/。b：经验系数，一般在0.010.03，养护较差时取0.03。根据本工程实际情况，取最大值0.03。3.2.2实测7#、8#机组底板混凝土温度施工期温度应力计算采用表2提供的7#、8#底板内部温度。长期温度应力温升过程复杂，参考绝热温升公式，模拟温度变化曲线预估初期降温情况T2（t），混凝土浇筑早期降温幅度不大，一个月以后降温显著。30 d后混凝土降温对于运行期来说，降温过程不影响徐变影响系数，徐变影响系数均为0.283。表278#机组底板混凝土临时温度计监测成果表仪器埋设部位序号1234567891011121314观测日期2017/4/122017/4/132017/4/132017/4/142017/4/142017/4/152017/4/152017/4/162017/4/172017/4/182017/4/192017/4/202017/4/212017/4/22观测时间16：488：3816：508：3018：408：5817：5014：5017：0414：3016：0014：5010：008：2578#机组底板混凝土下0+017.09下0+057.640+326.650+299.15 EL292.50EL294.30环境度温25.419.530.218.933.623.334.121.624.324.638.023.621.218.0混凝土内部温度8#22.234.234.636.034.234.033.932.329.328.326.726.125.624.49#25.636.236.840.439.839.239.038.837.036.533.533.031.830.9温差8#-3.214.74.417.10.610.7-0.210.75.03.7-11.32.54.46.49#0.216.76.621.56.215.94.917.212.711.9-4.59.410.612.93.2.3徐变影响系数Kp（t）：时间t由混凝土徐变引起的应力松弛系数，根据龄期不同查表估算。3.2.4约束系数R（t）：约束系数，仅考虑施工期，随着其它浇筑层混凝土浇筑完成，整体厚度很大，不适宜此公式，30 d龄期后，按 混凝土重力坝设计规范（SL 319-2018），约束系数按最不利统一取值R=0.6。R(t)=1-1ch(t)L258广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（2）(t)=CxE(t)H式中：L：浇筑块长边尺寸；H：浇筑块厚度；CX：阻力系数，本层混凝土属于在混凝土上继续浇筑混凝土情况，取CX=1 N/mm3。3.2.5最大应力计算max=(t)=Kp(t)R(t)E(t)1-T(t)Kp（t）：时间t由混凝土徐变引起的应力松弛系数，根据龄期不同查表估算；E（t）：时间t混凝土弹性模量，考虑龄期的混凝土弹性模量公式：混凝土线膨胀系数；：混凝土的泊松比；T（t）：时间t综合温差，为时间t时收缩变形当量温差和绝热温升导致温差之和；R（t）：约束系数，仅考虑施工期，随着其它浇筑层混凝土浇筑完成，整体厚度很大，不适宜此公式，30 d龄期后，按 混凝土重力坝设计规范（SL 319-2018），约束系数按最不利统一取值R=0。本次计算考虑运行期应力时，假定间歇5 d覆盖上层混凝土，即第6 d浇筑块厚度为2个浇筑层厚；CX：阻力系数，本层混凝土属于在混凝土上继续浇筑混凝土情况，取CX=1 N/mm3。计算过程及结果见图1和图2。图1运行期720 d厂房底板混凝土温度应力图由厂房7#、8#机组段底板混凝土计算结果分析：根据实验资料，混凝土极限拉伸较为理想，28 d达到p=0.9 10-4。根据 混凝土重力坝设计规范（SL319-2018）允许拉应力p=pEc/Kf=0.9 10-4 4 104/1.5=2.4MPa（Kf取1.5）厂房运行期（两年后）温度应力=7.7 MPap=2.4 MPa，应力超过允许拉应力3倍，不满足规范要求。施工期（7 d）温度应力=1.45 MPa0.5p=1.2MPa（一般7 d允许拉应力已达50%），结构在施工期也无法满足温度应力要求，因此浇筑后各个时期均有可能开裂。根据以上计算可知，厂房底板混凝土在施工期和运行期温度应力均已超过 混凝土重力坝设计规范 SL 319-2018的允许值，需要采取相应措施。4计算工况为改善施工期和运行期厂房78#机组段底板混凝土不利应力状态，计算拟分以下3种措施的计算工况考虑如下：工况一：采用目前使用的普通硅酸盐水泥及混凝土配合比，工况二：采用中热水泥，按165 kg水泥用量考虑，其余按目前混凝土配合比考虑，工况三：采用低热水泥，配合比适当考虑水泥用量可能会增加的情况，按170 kg水泥用量考虑，其余按目前混凝土配合比考虑，以上所有工况均采取加设冷却水管通河水冷却的效果。计算参数见表3。表3计算参数表项目水泥用量（425OPC水泥）水泥水化热混凝土28 d弹模混凝土重度混凝土线膨胀系数混凝土泊松比极限拉伸（28 d）代号WQEcp工况一152 kg350 kJ/kg4104N/mm22450 kg/m30.810-5/0.1670.8510-4工况二165 kg293 kJ/kg2.8104N/mm2工况三170 kg260 kJ/kg2.8104N/mm2各龄期弹性模量计算和运行期应力计算绝热温升采用文献2的计算公式。施工期各龄期绝热温升计算采用施工方提供的实测温度资料，见表4。图2施工期7 d厂房底板混凝土温度应力图59田凯，余金凤，张宪明，黄文清:大体积水工混凝土结构的温度应力计算与分析表4混凝土绝热温升试验结果表工况123水泥名称佛光普硅中热低热Tm（）30.742119t0000D1.701.702.05复核计算采取措施后，厂房78#机组段底板混凝土夏季浇筑复核计算过程如下：（1）浇筑块最大尺寸，计算取约束区接近基岩部位：L：浇筑块长边尺寸，L=26 380 mm（取可能开裂边最大浇筑长度），H：施工期浇筑块厚度，H=1500 mm，用于施工期约束系数计算。（2）收缩当量温差计算公式采用文献2的计算方法，：混凝土最终收缩，取=3.2410-4mm。M1M10b：经验系数，一般在0.010.03，取最大值0.03。各个工况取值见表5。（3）降温温差。根据施工期浇筑的情况，夏季环境温度在6