水管冷却对混凝土温度及徐变应力的影响.pdf

低温建筑技术 2 0 1 4 年第 8 期( 总第 1 9 4期) 水管冷却对混凝土温度及徐变应力的影响 李全海 ( 河海大学力学与材料学院 。 南京2 1 0 0 9 8) 【 摘要】 水管冷却是混凝土坝重要的温控方法， 对混凝土温度和温度徐变应力影响较大。根据某常态混 凝土坝的详细施工进度， 采用三维有限单元法对典型坝段进行施工期仿真分析。对不同通水冷却方案进行对比 分析， 从理论上量化通水冷却对坝体内温度场和温度徐变应力场的影响。 【 关键词】 水管冷却； 混凝土温控； 仿真分析 ； 温度应力 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 2 2 0 3 EFF ECTS oF P， E CooLI NG oN CoNCRETE T EM P ERATURE AND THERM AL CRE EP S TRES S L I Q u a n h a i ( I n s t i t u t e o f me c h a n i c s a n d ma t e ri a l s ，H o h a i U n i v ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： P i p e c o o l i n g i s a n i mp o r t a n t me a s u r e f o r t e mp e r a t u r e c o n t r o l o f c o n c r e t e d a ms ，w h i c h h a s g r e a t i n fl u e n c e o n c o n c r e t e t e mp e r a t u r e a n d t h e r ma l c r e e p s t r e s s B y me a n s o f t h r e e d i me n s i o n fi n i t e e l e - me n t s me t h o d a n d a c c o r d i n g t o t h e d e t a i l e d c o n s t r u c t i o n p r o g r e s s ，s i mu l a t i o n a n a l y s i s for t h e t y p i c a l mo n o l i t h s d u ri n g the c o n s t r u c t i o n p e ri o d i s p e r f o r me d T h e c o mp a r a t i v e c a l c u l a t i o n s a r e ma d e b y v a ri o u s c ool i n g me t h o d s ，a n d t h e n t h e e f f e c t o f t h e c o o l i n g me tho d b y i n t e r n a l t e mp e r a t u r e fi e l d a n d the rm a l c r e e p s t r e s s fi e l d o f t h e d a m i s t h e o r e t i c a l l y q u a n t i fie d Ke y wo r d s： pi pe c o o l i n g；c o n c r e t e t e mp e r a t u r e c o nt r o l ；s i mu l a t i o n a na l y s i s；t h e rm a l s t r e s s 水管冷却是 目前普遍采用且非常有效的温控手 段之一。其中， 一期通水冷却主要是为了削减混凝土 初期水化热温升 ， 控制混凝土的最高温度； 中期通水 冷却主要是控制混凝土温度回升； 二期通水冷却是将 混凝土温度降低到封拱温度。人们过去对混凝土坝 后期冷却重视不够， 实践经验证明， 后期冷却可能引 起严重裂缝 。 由于每个工程的地理位置、 气候环境 、 坝型结构、 混凝土材料性能等条件都不尽相同， 所以采用的的施 工方法和 温控措 施 也 各具 特 色。而 坝体 混凝 土 通水 冷却是混凝土坝温控防裂关键技术之一 ， 因此对其施 工工艺和方法的研究十分重要。文中根据某常态混 凝土坝的详细施工进度 ， 采用三维有限单元法 ， 重点 研究该混凝土坝典型坝段分别采用不 同的通水冷却 方案后混凝土温度场和温度徐变应力场的分布情况， 从理论上量化通水冷却对坝体内温度场和温度徐变 应力场 的影 响。 1 计算原理 关 于混凝 土 温度 场 和温度 徐 变应 力 场 的有 限元 计算原理， 在很多文献和教科书中都有详述 ， 如文献 3 ， 在此不再重复。 2 有热源的水管冷却 问题 试方法研究 J 低温建筑技术， 2 0 1 2 ， ( 9 ) ： 6 8 2 刘运华， 谢友均， 龙广成自密实混凝土研究进展 J 硅酸盐 学报 ， 2 0 0 7， 3 5 ( 5 ) ： 6 7 16 7 6 3 崔五亮， 陈健民， 王子龙 石灰石粉对自密实混凝土性能的影 响 J 低温建筑技术 ， 2 0 1 3 ( 8 ) ： 2 1 2 2 1 4 Y o u u s i A，T u r c r y P，R o z i e r e E，A i t Mo k h t a r A，L o u k i l i A P e r f o r ma n c e b a s e d d e s i g n a n d c a r b o n a t i o n o f c o n c r e t e wi t h h i g h fl y a s h c o n t e n t J C e m C o n c r C o mp o s ， 2 0 1 l ， 3 3： 9 9 31 0 0 0 5 H a b e r t G ， R o u s s e l N S t u d y o f t w o c o n c r e t e m i x d e s ig n s t r a t e g i e s t o r e a c h c a r b o n m i t i g a t i o n o b j e c t i v e s J C e m C o n c r C o m p o s ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 6 ) ： 3 9 7 4 0 2 6 Mu c t e b a U， Yi l m a z K e m a l e t t i n E ff e c t o f mi n e r a l a d mi x t u r e s o n p r o p e r t i e s o f s e l f c o mp a c t i n g c o n c ret e J C e m C o n c r C o mp o s ， 20 1 l， 3 3： 7 716 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 2 0 作者 简介 杨利雄 ( 1 9 6 8一) ， 男 ， 湖北仙 桃人 ， 高 级工程 师 从 事建筑工程技术管理 工作 。 李全海： 水管冷却对混凝土温度及徐变应力的影响 当冷却水温度 等于混凝土初温 时， 设混凝 土绝热温升为 ( r ) ， 在时间 r的绝热温升增量为 A O ( r ) ， 由于水管冷却， 到时间 t 是， 温升为 ( r ) 西( f f ) ， 由0到 t 积分， 在时间t 时混凝土平均温度为 】 ： r ( t )= a O d r=O o ( 1 ) 双曲线型绝热温升 ： ( )= n b e -b(n b) 一 + E i( 6 n ) 一 E i 6 ( n + ) ) ( 2 ) ， b x 式中， E ； ( b x )=I 当冷却水温度 不等于混凝土初温 时， 混凝 土平均温度按下式计算 ： ( t ) = +( 7 0 一r w ) ( f )十 0 o ( t ) ( 3 ) 3工 程实例 某 常态混 凝土坝 ， 大坝及 垫座混 凝 土采用 通仓平 铺法施工 ， 混凝土全年施工， 全年封拱， 温度控制采用 全年人工通冷冻水冷却混凝土。大坝坝址干湿季节 分明， 旱雨季各半年。 为了使计算结果更加符合实际应用， 研究工作以 实际工程结构为依托建立三维有限元模型。在网格 剖分时 ， 不仅考虑了坝体上下游表面采用不同厚度的 保温材料以及外界气温水温产生的复杂边界条件， 而 且充分考虑了混凝土材料分区和不 同的冷却水管布 置。有限元计算模型共剖分六面体 2 0节点等参元网 格 6 3 3 6个， 结点 3 1 2 6 9个， 如图 1 所示。混凝土热学 性能资料 见表 1 。 Z x 图1 典型坝段网格剖分效果图 表 1 混凝土热学参数 4 研究结果 4 1 计算条件 在地基弹模、 混凝土的基本参数和浇筑条件都完 全相同的条件下， 对比分析不同通水冷却方式对混凝 土温度场及温度徐变应力场分布情况的影响。限于 篇幅， 文中主要讨论两个通水冷却方案。 温控要求 ： 混凝土最高温度不超过 2 7 C， 一期通 水冷却 目标温度 2 1 左右 ， 中期通水冷却 目标 温度 l 7 左右， 二期通水冷却 目标温度 l 3 左右。 方案 l ： 坝体 自下而上顺序分为已灌区、 灌浆区、 同冷区、 过渡区和盖重区5个区域进行滚动式冷却 ， 根 据温度梯度对各期冷却降温及控温的时间进行协调； 方案2 ： 与方案 1 相 比， 减少了过渡区和盖重区， 混凝土各期冷却温度控制达冷却龄期要求。 4 2 计算结果 两方案最高温度和最大温度徐变应力见表 2 。 表 2 不同冷却方式仿真计算结果 4 3 结果分析 ( 1 ) 温度场分析。由表 2看出， 方案 2最高温 度比方案 1 高 0 2 3 C。典型坝段 A剖面最高温度值 见 图 2 。 魁 赠 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 r ， j ， 、 、 f ； 、 I J 0 5 0 l O O l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 龄期， d 一方案1 一 方案2 图2 典 型坝段A 剖面最高温度值 从上图中可以看出， 两个方案的最高温度值变化 总趋势是一致的， 且两个方案均符合混凝土最高温度 控制要求 ， 只是方案 2 略高于方案 1 。 由于冷却方式不同， 混凝土温度场分布情况也不 同。图3 、 4分别是对应于两个方案 的 H高程温度过 程线。从图中可以清晰地看出水管冷却对混凝 土降 温控温的效果： 两个方案温度发展过程相同， 且各 期冷却都符合 温度控制要 求， 即一期冷却 目标温度 2 1 左右 ， 中期冷却 目标温度 l 7 左右， 二期冷却 目 标温度 1 3 (2 左右； 方案 2与方案 1相比， 缩短了中 期控温的时间约 5 0 d ， 从而提前进入二期冷却阶段； 2 4 低温建筑技术 2 0 1 4年第 8 期( 总第 1 9 4期) 二期冷却 2 5 d 左右， 混凝土温度降到封拱温度。 ( 2 ) 温度徐变应力分析。方案 1最大应力为 2 0 0 MP a ， 方案2为 1 8 8 MP a ， 产生部位均为s剖面， 如 图5所示。从图中看出， 大部分区域 内应力为 0 2 1 0 MP a ， 只在小范围内应力值较大。 赠 、 -_I _ _ 龄期， d 图3 典型坝段H 高程温度过程线( 方案1 ) 混凝 土最 大 温度 徐 变应 力 一般 都 是 在二 期 通 水 冷却 的过程 中产生的， 二期冷却的效果受冷却水温、 水管材料 、 水管布置方式、 通水流量、 通水时间、 冷却高 o l( 第2 5 5 d ) 方案 1 度等因素的影响。对比方案 1和方案 2 ， 除了通水时 间不同其它因素都保持一致。 瑙 赠 f 龄期， d 图4 典型坝段H 高程温度过程线( 方案2 ) 一 7 8 8 4 I _7 8 9 4 一 7 91 8 一 79 3 4 一7 9 5 0 -一 7 9 7 2 一 7 9 8 4 方案2比方案 1提前进入二期冷却 阶段 ， 进而坝 体能够 提前灌浆 ， 有效降低 了悬臂高度 1 8 m， 使 得混凝 土最大温度徐变应力值降低 0 1 2 MP a ， 龄期提前 2 0 d ， 防裂安 全系数 提高 0 0 4 。 o l( 第2 3 5 d) 方案2 图5典型坝段B 剖面混凝土温度徐变应力图( 单位 ：0 1 MP a ) 5结 语 水 管冷却 是混 凝 土拱 坝 施 工 中控 制 温度 防 止裂 缝的重要方法。文中通过有限元仿真分析， 从理论上 量化了两种不同的通水冷却方式对混凝土温度场和 温度徐变应力场分布情况的影响。 从仿真计算结果可知 ， 这两种方案均能达到温度 应力及 温度 控制 标 准 。该 典 型 坝段 只在 局 部 出现 比 较大的应力， 且最大应力值主要受冷却时间和悬臂高 度影响。方案2所采用的冷却方式 ， 缩短 了坝体混凝 土中期控温的时间， 使得混凝土提前进入二期冷却阶 段 ， 降到封拱温度， 进而可以降低悬臂高度 1 8 m， 提高 混凝土防裂安全系数 。 从研究可 知 ， 坝 体 混凝 土 通 水冷 却 ， 在 满足 温 控 标准 的前 提下 ， 根 据工 程 实际情 况 ， 科学 合理 地 优化 施工 工艺 ， 以降低混 凝 土最 大 温度 徐变 应力 ， 有效 防 止 出现温 度裂缝 。 参考文献 1 丁宝瑛， 王国秉， 黄淑萍 水工混凝土结构的温度应力与温度 控制研究 J 水力发电学报， 1 9 8 4 ， ( 1 ) ： 1 一 l 8 2 朱伯芳， 小温差早冷却缓慢冷却是混凝土坝水管冷却的新方 向 J 水利水电技术， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 1 ) ： 4 4 5 O 3 朱伯芳， 王同生， 丁宝瑛， 等 水工混凝土结构的温度应力与温 度控 制 M 北 京 ： 水利电力 出版社 ， 1 9 7 6 4 朱伯芳 考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程 J 水 利学 报 ， 1 9 9 1 ， ( 3 ) ： 2 8 3 4 收稿 日期 2 0 1 40 6 0 9 作者简介】 李全 海( 1 9 8 8) ， 男 ， 江 苏徐 州人 ， 硕 士研 究生 从 事数值仿 真与工程计算 的研究 。