溫度荷載對向家壩碾壓混凝土縱向應力的影響

1混凝土的表面保護低層混凝土表面開裂已成為工程領域的研究熱點。混凝土表面的高度集中是低層次混凝土開裂的主要原因之一。當寒潮襲擊時,混凝土表面溫度受氣溫影響而相應降低,使表面與內部產生巨大溫差,導致出現較大的拉應力而開裂。很多學者在混凝土表面保護這方面做過研究。另外,高齡期混凝土在氣溫日變幅和氣溫年變幅較顯著時,如果沒有表面保溫措施,表面溫差應力仍可超出容許范圍而導致開裂。目前已有學者建議對混凝土壩進行永久保溫,防止出現運行期裂縫。混凝土壩在施工期,由于混凝土強度發展不充分,一旦氣溫突變,很容易出現表面裂縫,因此,本文以向家壩工程縱向圍堰澆筑某時段的澆筑塊為研究對象,就三種寒潮襲擊模式,比較了不同拆模齡期下,有無表面保護措施的混凝土澆筑塊的溫度應力狀態,結合混凝土強度增長曲線,給出了合理的保溫材料與相應的表面保護方式。同時,研究氣溫日變幅和氣溫年變幅下,比較有無表面保護措施的高齡期混凝土澆筑塊的溫度應力狀態,建議進行長期保溫并給出了相應的保溫材料。2基本信息2.1代縱向圍堰體向家壩水電站,位于四川省和云南省的交界處,是金沙江下游梯級開發的最后一級電站,工程開發以發電為主。向家壩工程的二期縱向圍堰堰體包括上游段、下游段,沖沙孔壩段兼作二期縱堰使用。二期縱堰上游段最大壩段高達87.5m,最大壩段長38.0m;縱堰下游段最大壩段高31.5m,最大壩段長40.8m;沖沙孔壩段最大壩段高120.5m,最大壩段長149.0m,均屬大體積混凝土。堰體在施工期承受著不同季節水荷載與溫度荷載的作用,容易產生表面裂縫。2.2齡期及節點度參考規范規定,假設低齡期混凝土抗裂安全系數為1.1。根據委托方提供的實驗資料,混凝土劈拉強度:7d齡期為0.92MPa;28d為1.49MPa。通過曲線擬合得出圍堰段碾壓混凝土(C9015W6三級配)的強度增長曲線為下式:fτ(τ)=1.88τ/(7.3+τ)(1)當寒潮期間混凝土表面應力超過當時混凝土的容許抗裂能力,認為混凝土表面需要保護。2.3高發泡聚乙烯卷材等效放熱系數根據委托方提供的材料,保溫材料選用1cm厚的泡沫卷材和2cm厚的高發泡聚乙烯卷材。混凝土表面與保溫層間的放熱系數為:β=11/β0+∑hi/λik1k2(2)β=11/β0+∑hi/λik1k2(2)式中:λi—保溫材料導熱系數,泡沫卷材為3.01kJ/(m2,d·℃),高發泡聚乙烯卷材為1.64kJ/(m2,d·℃);β0—保溫層外表面與空氣間放熱系數,取700kJ/(m2,d·℃);hi—保溫層厚度;k1—風速修正系數,取1.6;k2—潮濕程度修正系數,潮濕材料取3～5,干燥材料取1。由此可以算出:1cm厚泡沫卷材的等效放熱系數為285kJ/(m2,d·℃),2cm的高發泡聚乙烯卷材的等效放熱系數為110.5kJ/(m2,d·℃)。混凝土表面裸露時,其表面放熱系數為β=1500kJ/(m2,d·℃)。3冷潮襲擊下的表面保護3.1不同模式,連續多次在半干上保溫根據向家壩堰址區氣象資料,仿真計算時,選取三種典型寒潮模式及三種保溫方式:寒潮模式1:3d降溫12.4℃,然后3d恢復正常,連續計算6d。寒潮模式2:2d降溫12.4℃,然后2d恢復正常,連續計算4d。寒潮模式3:4d降溫12.4℃,然后3d恢復正常,連續計算7d。保溫方式1:無表面保溫材料。保溫方式2:表面覆蓋1cm泡沫卷材。保溫方式3:表面覆蓋2cm聚乙烯板材。3.2太陽輻射對混凝土抗溫降的影響選取3個澆筑塊,澆筑塊間歇7d,3月中旬開始澆筑,混凝土為碾壓混凝土(C9015W6三級配),不通冷卻水。以五臨空面澆筑塊為研究對象(見圖1),分別選取該塊混凝土拆模齡期為3、7、14d時,寒潮來臨,對有、無表面保溫情況下溫度應力進行比較。該塊4月1日澆筑,為自然澆筑。太陽輻射的影響等效為3℃的大氣溫升。經仿真計算,結果見表1和圖2。從表1和圖2可知:(1)無論是表面裸露還是表面保護,寒潮來臨后,混凝土都會產生不同程度的溫降,但是,表面裸露時,表面等效放熱系數大,熱量損失更急劇,采用保溫材料進行表面保溫后,可以有效的降低氣溫驟降對表面的影響,降低混凝土表面溫差應力。(2)相同齡期和保溫措施下,寒潮作用時間越長,產生的溫度應力越大。(3)根據表1各工況的計算結果,11和工況12的計算結果,在混凝土14d齡期遭受寒潮襲擊,與相對齡期為3d和7d混凝土遭受寒潮比較,順河向最大拉應力雖然增大,但混凝土的抗拉強度也隨齡期增長而增加,安全系數可達到要求。由于15～20d后混凝土的絕熱溫升基本穩定,混凝土內部溫度也逐漸穩定,因此寒潮對混凝土的影響隨其齡期的增長而不再增加。4材料和外墻材料根據向家壩堰址區氣溫統計資料,選取氣溫日變幅較不利條件,確定氣溫日變幅為16.5℃,即一天之內,氣溫降低16.5℃。計算模型、材料參數、施工參數等與寒潮來臨計算情況相同,保溫材料采用寒潮襲擊下建議的保溫材料,為2cm厚聚乙烯板材。當混凝土澆筑30d后,遭遇氣溫日變幅的影響。經溫度應力仿真計算后,特征應力結果如下表2所示。5不同表面保護下堰體混凝土缺陷根據向家壩堰址區氣溫統計資料,堰址區氣溫年變幅為18.6℃。最高氣溫是27.7℃,發生在7月份,最低氣溫為9.1℃發生在1月份。在計算模型、材料參數、施工參數等與寒潮來臨計算情況均相同,并在寒潮襲擊下建議采用2cm厚聚乙烯板材作保溫材料時,經溫度應力仿真計算,其計算結果如圖3及表3。從圖3可知,有、無表面保護措施下,在氣溫年變幅影響下,堰體混凝土出現的最大拉應力值大小基本一致,出現在表面,出現時刻都在冬季,但是,無表面保護措施情況下,最大拉應力出現在頂面與側面交界中部,靠近表面,表面最大拉應力點出現在頂面中心,且頂面和側面中部都出現高應力區域;有表面保護措施下,最大拉應力出現時刻有滯后,最大拉應力出現在頂面和側面交界的中部,高應力僅局限于此區域內。從表3可知,經歷年氣溫變幅計算,在無表面保護措施下,其單面寒潮點的最大溫度變幅為17.2℃,最大拉應力為1.29MPa;在有表面保護措施下(2cm厚聚乙烯板復蓋),單面寒潮點的最大溫度變幅為12.5℃,最大拉應力為0.88MPa。可見表面保護措施可大大減小寒潮對澆筑塊頂面的影響。6混凝土材料的選擇(1)當氣溫驟降時,由于早期混凝土的強度發展不充分,表面會出現較大溫差裂縫,采用保溫材料對混凝土進行表面保護,可以有效地緩解混凝土表面溫差應力。(2)根據計算結果,當齡期為3d時遭遇寒潮模式1,采用1cm泡沫卷材作為保溫材料,出現的最大溫差應力與容許應力的比值為0.94,小于抗裂安全系數1.1,保溫效果達不到要求,而采用2cm厚聚乙烯板材作為保溫材料時,最大拉應力都在容許范圍之內,因此,建議采用2cm厚聚乙烯板材作為保溫材料,對施工期低齡期混凝土進行保溫。(3)在混凝土28d齡期后,雖然強度發展比較充分,但在氣溫日變幅較大時,混凝土表面仍然可能出現裂縫。因此,建議高齡期混凝土也必須進行表面保護,以抵御較大的日變幅氣溫。(4)由于將2cm厚聚乙烯板作為混凝土表面的保溫材料,可以有效地降低氣溫日變幅的影響。因此,建議采用2cm厚聚乙烯板材,對高齡期混凝土進行表面保護。(5)在氣溫年變幅影響下,雖然在沒有采取表面保護措施的情況下,其混凝土澆筑塊的最大溫差應力在容許范圍之內,但在澆筑拱的邊角、側面和頂面都出現了大面積的高應力區域,且影