（水利工程专业论文）太平闸反拱底板裂缝成因及安全性研究.pdf

陈伟太平闸反拱底板裂缝成因及安全性研究 摘要 太平闸是淮河入江水道上的口门控制工程之一，其作用十分重要，1 0 。底板下 游出现了表面贯穿裂缝，必然影响到工程整体结构的稳定性。本文对其裂缝成因 以及稳定性进行分析研究，对反拱底板在现有状况下的安全性进行分析评价，提 出可能存在的问题和增加安全性的工程建议措施。主要研究内容及取得的具体成 果如下： ( 1 ) 分析得出地基不均匀沉降是导致太平闸反拱底板裂缝产生的根本原因， 地基不均匀沉降改变了太平闸反拱底板上下表面受力规律。 ( 2 ) 依据太平闸结构型式及地形地质构造等基本资料，运用非线性有限元分 析软件a b a q u s 6 8 ，建立闸室一地基系统三维有限元整体仿真数值计算模型，根据 太平闸长期垂直位移观测数据，采用直接位移反分析方法对地基的变形模量进行 反分析，进而采用三维有限单元法对太平闸一地基系统进行应力变形分析，并针对 反拱底板在现有开裂条件及假定1 0 4 底板裂缝上下游完全贯通条件下的安全性进行 分析评价。 ( 3 ) 参照类似工程加固处理措施及底板裂缝开裂条件下的底板最大拉应力量 值，提出太平闸反拱底板相应的加固方案，建立闸室一地基系统整体仿真数值计算 模型，对加固后的闸室一地基系统的应力变形状态进行研究，对加固效果进行计算 分析。 本文结合工程实际，对反拱底板裂缝的成因及安全性进行了分析研究，数据 详实，计算准确，结论可靠，为同类工程的安全复核计算分析指出了一条新路。 关键词：反拱底板；裂缝；成因；安全性；三维有限元分析 扬州大学工程硕士论文 i i a b s t r a c t t a i p i n gs l u i c ew a sab u i l ta s ac o n t r o lb u i l d i n go nt h eh u a ir i v e ri n t ot h ey a n g t z er i v e r w a t e r w a y , i t sr o l ei sv e r yi m p o r t a n t 1 0 8f l o o ra p p e a r e dt h a tc r a c k st h r o u g hf l o o rs u r f a c ei nt h e d o w n s t r e a m i tw i l lb ei n e v i t a b l ya f f e c tt h es t a b i l i t yo ft h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ee n g i n e e r i n g t h i s p a p e ri sw h a tc a u s i n gc r a c k s ，a sw e l la st h e i rs t a b i l i t ya n a l y s i s ，t oa n a l y z ea n de v a l u a t et h es a f e t yo f a n t i - a r c hf l o o ru n d e rt h ee x i s t i n gc o n d i t i o n sa n dt os u g g e s tp o s s i b l ep r o b l e m sa n dt oi n c r e a s et h e s a f e t ym e a s u r e sp r o p o s e dp r o j e c t m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dt h ec o n c r e t er e s u l t sa c h i e v e da r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h ea n a l y s i si st h a tt h er o o tw a sc a u s i n gc r a c k so fa n t i a r c h f l o o ro ft a i p i n gs l u i c ei s u n e v e ns e t t l e m e n to ff o u n d a t i o n ，u n e v e ns e t t l e m e n to ff o u n d a t i o nc h a n g e df o r c et h el a wo ft h e u p p e ra n dl o w e ra n t i - a r c hf l o o rs u r f a c ei nt h et a i p i n gs l u i c e ( 2 ) b a s eo nt h et a i p i n gs l u i cs t r u c t u r et y p ea n dg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dt o p o g r a p h ys t r u c t u r e o ft h eb a s i cm f o r m a t i o n ，u s i n gn o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea b a q u s 6 8 ，w h a ti st o b u i l daf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lm o d e l i n go ft h eo v e r a l ls i m u l a t i o no fc h a m b e r - t h r e e - d i m e n s i o n a l g r o u n d b a s e ds y s t e m s a c c o r d i n gt ot h el o n g t e r mv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h et a i p i n gs l u i c o b s e r v a t i o n a ld a t a ，i su s i n gd i r e c td i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i sm e t h o do ff o u n d a t i o nd e f o r m a t i o n m o d u l u so fi n v e r s ea n a l y s i s t h e ni tm a k eu s eo ft h r e e d i m e n s i o n a lf m i t i ee l e m e n tm e t h o da ss t r e s s a n dd e f o r m a t i o na n a l y s i so ft h et a i p i n gs l u i c f o u n d a t i o ns y s t e m a n a l y z i n ga n de v a l u a t i n gt h e s a f e t yi su n d e rc o n d i t i o n so f a n t i - a r c hf l o o ri na ne x i s t i n gc r a c ka n da s s u m p t i o no f1 0 f l o o rc r a c k s t h r o u g hf u l lu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a m ( 3 ) r e f e r e n c et os i m i l a rp r o j e c t sf l o o rr e i n f o r c e m e n tm e a s u r e s ，a n du n d e rt h ec o n d i t i o n so f f l o o rc r a c k sc r a c kt h em a x i m u mt e n s i l es t r e s sv a l u ei sp r o p o s e dt h et a i p i n gg a t ea n t i - a r c hf l o o r c o r r e s p o n d i n gr e i n f o r c e m e n tp r o g r a ma n db u i l tc h a m b e r - g r o u n d b a s e ds y s t e m a saw h o l e n u m e r i c a lm o d e ls i m u l a t i o n ，w h a ti st os t u d yt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o ns t a t eo ft h ec h a m b e r - f o u n d a t i o ns y s t e ma f t e rr e i n f o r c e m e n ta n dt oc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so f t h er e i n f o r c e m e n te f f e c t i nt h i sp a p e r e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，i th a sb e e na n a l y z e db ys a f e t ya n dc a u s eo fa n t i - a r c hf l o o r c r a c k s ，d e t a i l e dd a t at oc a l c u l a t ei sa c c u r a t ea n dc o n c l u s i o n sa r er e l i a b l e k e yw o r d s ：a n t i a r c hf l o o r ；c r a c k ；c a u s e s ；s e c u r i t y ；t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 扬州大学工程硕士学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：渐、专 i 签字日期：五川年，o 月雕日 | 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文柘撇：函讳黜名册黎 、| 签字日期：2 吁 年，2 月，o 日 签字日期：训年f 上月，旺日 。 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 陈伟太平闸反拱底板裂缝成因及安全性研究 第一章绪论 1 1 概述 上世纪六七十年代片面强调设计革命，节省工程造价，水闸推广采用“轻”、 “薄”、“拱”结构，太平闸、金湾闸、宜陵北闸等闸就是那时期产物。由于设计 标准偏低，给工程带来了隐患，运用至今，该类型水闸反拱底板出现了程度不同、 大小不一的裂缝，如黄沙港闸、四女寺水利枢纽北进洪闸、太平庄闸、梁垛河南 闸等闸。 太平闸位于万福闸东5 0 0 m 的太平河上，建成于1 9 7 2 年，系淮河入江水道控 制工程之一，为二级水工建筑物。该闸建成后在排洪、蓄水方面发挥了重要的作 用，效益显著。其底板为钢筋混凝土连续反拱结构，并与岸墙结成整体，2 4 孔不 分缝。2 0 0 8 年5 月潜水员水下探摸检查发现1 0 4 孔下游闸底板有裂缝，后又于2 0 0 9 年2 月进行了水下录像检测，证实了裂缝的存在，见图1 - 1 。 图1 - 1 1o # 孔闸室底板水下损坏检查情况示意图( 图中尺寸标注单位：c m ) 图1 - 1 中闸室内有一条通长裂缝，位置从l o 。孔右侧闸门角底部开始向中部延 伸，至闸室中部后向下游延伸，在靠近下游伸缩缝处转弯向左侧闸墩延伸，裂缝 2 扬州大学工程硕士学位论文 表层有多处混凝土剥落现象，最大剥落宽度约4 0 m m ，裂缝清晰，宽度约l m m ，在 距伸缩缝约1 m 处裂缝分叉。 底板是闸室的基础，它把闸室自身的重量和作用在闸室上的各种荷载传布于 地基，并保护地基免受水流的冲刷，同时它又是水闸地下轮廓的组成部分，阻止 通过地基的渗透水流，防止地基的渗透变形阻1 。在反拱底板这种结构上发现裂缝， 势必影响到底板的整体性、坚固性、抗渗性和耐久性。 1 2 太平闸工程基本资料 1 2 1 工程概况 太平闸位于江都市境内的太平河上，系淮河入江水道控制工程之一，该闸自 1 9 7 2 年建成以来，在排洪、蓄水等方面均发挥了显著的作用。 闸身结构型式以“轻”、“薄”、“拱”为主要特点。全闸共2 4 孔，每孔净宽6 o m ， 闸室总宽1 6 7 m 。闸底板为钢筋混凝土连续反拱结构，砼设计标准为1 7 0 号，并与 岸墙结成整体，2 4 孔不分缝。闸门处闸底板项面高程一1 o m ( 废黄河零点，下同) ， 闸墩除墩体底板及门槽部位为钢筋混凝土结构外，其余均为浆砌块石结构。闸墩 厚1 o m ，闸墩顶高程7 5 m ，上设宽3 1 5 m 的工作桥排架。该排架由预制混凝土框 格砌筑，内插竖向钢筋，浇灌混凝土而成，项高程1 4 6 m 。工作桥为预制钢筋混凝 土简支结构。排架上游侧布置1 5 m 宽的工作便桥，桥面高程8 7 5 m ，排架下游侧 布置净宽7 0 m 的公路桥，桥面高程8 8 0 m 。公路桥的荷载等级为汽- 1 3 设计，拖 - 6 0 校核。工作便桥与公路桥均为拱型结构。闸底板长度1 7 0 m ；上游护坦总长4 1 m ， 分为三块，分别为2 0 m 、1 l m 、l o m ，系混凝土结构；下游消力池长l o m ，其后布置 4 5 m 长的浆砌块石护坦；上、下游翼墙均为连拱空箱挡土墙：另外，在太平闸、万 福闸间设鱼道一座，口门均有闸门控制。 太平闸工程示意图见图1 - 2 。 1 - 2 - 2 设计与施工情况 ( 1 ) 勘测规划与设计 陈伟太平闸反拱底板裂缝成因及安全性研究 3 淮河入江水道工程1 9 5 9 年由中央水利电力部( 5 9 ) 水电规水钱字第1 2 3 号文 和国家计委农安字第1 1 1 3 号文批准，按排洪入江1 2 0 0 0 m 3 s 设计。设计单位为江 苏省扬州地区治淮指挥部。 ( 2 ) 施工情况 太平闸于1 9 7 1 年9 月开始筹建，由扬州地区治淮指挥部太平闸工程处负责施 工，为了节省木材、钢材，降低造价，广泛采用了预制构件的施工方法。1 9 7 1 年 1 1 月份打好坝，1 2 月8 日开工浇筑混凝土，1 9 7 2 年2 月上半月基本完成底部混凝 土工程，2 - 4 月份完成构件预制，4 - 6 月份预制构件吊装，6 月2 8 日进行水下工程 检验，7 月上半月安装了临时启闭设施，8 月9 日分别拆除上、下游施工围堰，正 式交付使用。 太平闸在设计和施工过程中，为了减少拱脚位移及温度变化等不利因素对反 拱底板的影响，采取了以下措施：一是闸墩与反拱底板分期浇筑，充分使闸墩荷 重直接传于地基，减少拱底板受力；二是2 4 孔底板不分缝，成连续反拱底板，以 解决拱底板及拱桥的水平推力问题。 1 2 3 工程运行及历年加固情况 ( 1 ) 工程运行 太平闸平时很少运行，开闸前需先开万福闸、金湾闸，只有在万福闸泄流 5 0 0 0 m 3 s ，满足太平闸上、下游运行水位时，太平闸才开闸放水，三个闸的关闭顺 序相反。太平闸至2 0 0 8 年年底已安全泄洪3 6 4 亿m 3 ，其运行情况统计见表1 - 1 。 ( 2 ) 历年加固情况 工程在1 9 7 2 年施工过程中，公路桥预制拱板有少数蜂窝和开裂的现象，当时 采用环氧树脂进行了处理。 1 9 9 4 年对太平闸分期进行以抗震为主的加固，加固的主要项目有：排架抗 震加固，混凝土碳化处理，闸门维修，启闭机维修，下游翼墙减载。 太平闸经1 9 9 4 年加固后，排架强度不足及翼墙不稳定的问题得到了解决。但 4 扬州大学工程硕士学位论文 匝 恒 f 图1 - 2 太平闸工程示意图 豳艟临驰h匿申 蕾* i 巾k tj_t肆_臂+，h o，暑幸=。：-，tt*，摹 陈伟太平闸反拱底板裂缝成冈及安全性研究5 表卜1 太平闸运行情况统计表 单位：亿m 3 年份泄洪量年份泄洪量年份泄洪量年份泄洪鼍 1 9 7 30 5 2 1 9 8 2 2 4 2 01 9 9 14 6 9 32 0 0 07 3 8 1 9 7 4 4 6 91 9 8 35 1 31 9 9 20 0 0 2 0 0 10 0 0 1 9 7 51 2 1 01 9 8 41 6 6 01 9 9 3o 0 0撇1 0 0 1 9 7 6o 0 0 1 9 8 50 0 01 9 9 4 0 0 02 0 0 35 8 7 7 1 9 7 70 0 01 9 8 67 2 31 9 9 50 0 02 0 0 42 0 3 1 9 7 80 0 0 1 9 8 71 3 6 01 9 9 61 6 2 6 2 0 0 54 0 1 9 1 9 7 91 9 51 9 8 8o 0 01 9 9 70 0 02 0 0 64 8 1 1 9 8 02 7 7 01 9 8 9 3 5 3 1 9 9 82 7 9 32 0 0 73 1 0 9 1 9 8 10 0 01 9 9 03 6 81 9 9 9o 0 02 0 0 86 3 8 限于经费等原因，加固并不彻底。2 0 0 0 年7 月省水利厅安全鉴定专家根据太平 闸工程现状调查分析报告、太平闸工程检测报告、太平闸安全复核计算报告， 对该闸进行了安全鉴定，评定为三类闸。2 0 0 2 年1 0 月2 0 0 3 年1 2 月经苏水建 ( 2 0 0 2 ) 2 3 号文批准，对太平闸实施了除险加固，项目有：闸门更换，上扇门 底高程提高至5 5 m ，门项高程保持7 5 m ，下扇门顶高程5 8 5 m ；启闭机更换； 闸墩、排架碳化处理；工作桥更换；公路桥、工作便桥裂缝处理；增设 启闭机房；电气设备改造，对配电柜、电气控制设备等进行更新改造；增设 自动控制及监控系统等。 1 2 4 水文、气象、地震参数及地质条件 ( 1 ) 水文 太平闸上游太平河系淮河入江水道之一；下游为长江潮汐河道，水位受长江 潮汐影响，百年一遇及二百年一遇的潮水位分别为6 。6 7 m 、6 9 2 m ( 废黄河零点点) 。 ( 2 ) 气象 工程所在地寒暑变化显著，四季气候分明。全年8 月最热，月平均气温为2 8 ，自6 月上旬至9 月中旬，旬平均气温均在2 2 c 以上，在此期间，日最高气温 大于3 5 的高温日数。平均每年有6 天，最冷月( 1 月) 的平均气温是1 ，从 6 扬州大学工程硕士学位论文 1 1 月中旬至3 月下旬的句平均气温都在1 2 。c 以下，月气温小于o c 的日数平均每 年有5 8 天，小于一8 的口数平均每年只有1 天。 年降水量在1 0 0 0 m m 左右，自6 月下旬到9 月上旬的降水占全年降水总量的 5 0 。全年降水日数约1 1 0 天，多分布在5 - - - 9 月，各月的相对湿度在7 0 以上，其 中7 、8 两个月为8 0 左右。 全年4 一- - 8 月多东南偏东风，9 3 月多西北偏北东北偏东风，年平均风速约 为3 5 m s ，最大风速2 3 7 m s 。全年有雾日数约3 0 天，7 一- 8 月雾日出现较少。 ( 3 ) 地震参数 根据中华人民共和国国家标准中国地震动参数区划图g b l 8 3 0 6 - 2 0 0 1 及中 国地震动峰值加速区划图( 江苏部分) 、中国地震动反应谱特征周期区划图( 江 苏部分) ，太平闸所在地的地震动峰值加速度为0 1 5 9 ，地震反应特征周期为0 3 5 s ， 按地震基本烈度度进行设防。 ( 4 ) 工程地质 采用1 9 7 1 年1 0 月省勘测总队提供的地质资料，钻探深度范围内土层均为粘 土层或壤土层，土质条件较好，闸底板座落在粉质粘土层上，c = 5 5 k p a ，巾。= 1 9 。 钻探深度范围内土质共分为7 层，各层土的土质情况分述如下： 第1 层：黄色轻粉质壤土。自地面高程6 5 m 至高程4 0 m 4 4 m ，平均厚度 2 o m ，取该层土最优含水量= 2 0 ，最大干容重阡1 5 1 啪铽c = 1 2 k p a , ( i ) - - 2 9 。 第2 层：灰色轻粉质砂壤土。自高程4 o m 一- 4 4 m 至高程1 6 m - - - - 2 3 m ，平均厚 度2 0 m ，平均贯入击数n 6 3 s = 1 1 击。 第3 层：棕黄色夹灰白色粉质粘土。自高程1 6 m , - 一2 3 m 至高程一2 0 m 一5 3 m ， 平均厚度6 o m ，平均贯入击数n 。5 = 1 8 击。土质坚硬，可为良好的天然持力层。 第4 层：棕黄色重、中、轻粉质壤土互层夹砂壤土。自高程一2 o m 一5 3 m 至 高程- 5 0 m 一7 o m ，平均厚度2 o m ，平均贯入击数产1 4 击。最小贯入击数n 6 3 5 ：8 击。平均孔隙比= o 9 3 ，平均含水量= 3 4 ，土质较松软。 陈伟太平闸反拱底板裂缝成冈及安全性研究 7 第5 层：棕黄色重粉质壤土。自高程一5 o m 一- 一7 o m 至高程一1 1 7 m 一1 3 4 m ， 平均厚度7 0 m ，平均贯入击数n 6 3 5 = 1 6 击，土质坚硬，为良好的下卧层。 第6 层：棕黄色壤土与砂壤土互层。自高程- 1 1 7 m 一1 3 4 m 至高程- 1 4 o m 一- 一2 1 7 m ，平均厚度6 0 m ，土质一般。 第7 层：棕黄色极细砂夹壤土。自高程一1 4 0 i i i 一2 1 7 m 以下，平均贯入击数 n 6 3 5 = 3 6 击。 11 2 5 设计水位组合及历史特征值 太平闸设计水位组合及历史特征值见表1 - 2 。 1 3 国内反拱底板裂缝成因分析成果 国内采用反拱底板结构的大型水闸较少，相关资料缺失，研究反拱底板裂缝 成因的学术文献比较有限，相关说法见下。 ( 1 ) 黄沙港闸底板裂缝的主要原因是地基的不均匀沉降归1 。 ( 2 ) 四女寺水利枢纽北进洪闸裂缝原因主要有：分块尺寸过大和宽长比偏 大，对温度应力和基础不均匀沉降适应性差，从而在横向上产生了应力向中部集 中的现象，是导致反拱底板混凝土开裂的主要原因；气候寒冷，导致温度应力 变化过大，反拱未配置构造钢筋，造成混凝土开裂；由于地基土体不均一，地 基产生不均匀沉降是导致反拱底板产生裂缝的重要因素；施工时，两侧闸墩未 能同时浇筑，形成不均衡加载n 0 。 ( 3 ) 分析太平庄闸底板裂缝成因，认为闸室结构形式不合理，整体刚度低， 是形成裂缝的主要原因；同时反拱底板顺水流方向配筋极少，混凝土质量较差， 导致闸底板强度严重不足；工程控制运用时，因下游受海潮影响，潮水位变幅较 大，在一2 o m 3 7 0 m 之间，枯潮时较大的水平推力将闸墩门槽段混凝土向下游推 移，导致闸底板出现裂缝，闸底板为2 2 孔整体相连的反拱底板，两侧岸墩向内倾 斜必然引起闸底板开裂n 引。 8 扬州大学工程硕士学位论文 表1 - 2 太平闸设计水位组合及历史特征值表 设计指 上游下游 流量 标 上游水壅高浪高下游水壅高浪高 c m 3 s ) 备注 位( m )血)血)位( m )缅)缸) 6 5 00 6 51 0 0 设计 4 5 06 6 71 0 0 稳 定 7 o1 01 0 0 校核6 5 01 0 0 4 0 06 9 27 0 地震设防 消 设计5 5 02 5 08 6 0 能 校核 孔 设计 7 1 86 9 81 9 5 0淮河入江1 2 0 0 0m 9 s 径 校核7 5 27 2 82 4 7 0 淮河入江1 , 5 0 0 0m 3 s 相应水位( m ) 历史特征日期 上游水位下游水位 上游最高水位( m )6 8 99 6 8 16 8 9 上游最低水位( m ) 下游最高水位( m ) 6 9 4e r 7 8 1 94 6 1 下游最低水位( m ) 一0 3 09 1 1 2 9 最大水位差( m ) 最大流量( m 3 s )1 1 6 09 7 7 1 15 7 l 1 4 本文的主要内容 太平闸是淮河入江水道的重要控制工程，其作用十分重要，1 0 4 底板下游出现 了表面贯穿裂缝，需要对其裂缝成因以及稳定性分析研究，同时针对反拱底板在 现有状况下的安全性进行分析评价，提出可能存在的问题和增加安全性的工程建 议措施。本论文围绕太平闸1 0 4 孔底板下游裂缝问题开展了以下几方面的研究工作： 陈伟太平闸反拱底板裂缝成因及安全性研究 9 ( 1 ) 总结相关资料，从材料角度分析水工混凝土建筑物裂缝产生的内在原因， 研究混凝土开裂机理； ( 2 ) 在阅读了大量文献的基础上，系统地总结他人的研究成果，归纳出水工 混凝土建筑物裂缝的种类、成因及其危害； ( 3 ) 研究反拱底板特性，总结反拱底板受力规律，分析反拱底板裂缝成因； ( 4 ) 依据太平闸结构型式及地形地质构造等基本资料，建立太平闸一地基系统 整体仿真数值计算模型，对太平闸一地基系统的应力变形状态进行研究，并针对反 拱底板在现有开裂条件及假定1 0 4 底板裂缝上下游完全贯通条件下的安全性进行分 析评价： ( 5 ) 基于太平闸底板开裂条件三维有限元计算成果下，提出相应的加固方案 并对加固效果进行计算分析。 1 0 扬州大学工程硕士学位论文 第二章水工混凝土的性能 2 1 概述 混凝土是按设计比例将水泥、砂、石、外加剂、掺合料和水混合拌合，并经 浇筑、养护获得预定形状，强度和性能的建筑材料。它由固相、气相和液相组成， 其中固相有水泥石、沙石骨料，气相为混凝土孔隙中存在的空气，液相则是孔隙 中的溶液。混凝土性能分混凝土拌合物与硬化混凝土性能两大部分，本章主要研 究硬化混凝土性能( 力学性能、热学性能) 。 2 2 水工混凝土力学性能 2 2 1 混凝土的强度 1 抗压强度 混凝土抗压强度是混凝土的重要的力学指标，与水泥标号、水泥用量、水灰 比、龄期施工方法及养护条件等因素有关。试验方法及试件形状尺寸也会影响所 测得的强度数值。 在国际上，确定混凝土抗压强度的试件有圆柱体和立方体两种，我国规定用 1 5 0 r a m 1 5 0 r a m 1 5 0 m m 的立方体试件为标准试件。由标准立方体试件测得的抗压强 度，称为标准立方体强度，用f 。表示。若试件为棱柱体，则所测得的抗压强度称 为棱柱体抗压强度f 。，f 。低于立方体强度f 。 影响混凝土抗压强度的因素 ( 1 ) 水灰比 1 9 1 8 年阿勃拉斯( a b r a n c e ) 指出“水灰比定则”，即当混凝土充分密实时， 混凝土强度r c 与水灰比w c 成反比，即 肌乏 ” 陈伟太平闸反拱底板裂缝成因及安全性研究 1 1 式中k 、比为试验常数。 上式近似为双曲线，使用不方便。 试验表明，当灰水比c w 为1 o 2 5 时，混凝土强度r c 与c w 近似为直线 关系，这就是保罗米( b o l o m e y ) 公式： ：。= a r ：。( c w - b ) ( 2 - 2 ) 式中8 _ 2 8 d 龄期混凝土抗压强度，m p a r 2 。l 2 8 d 龄期混凝土抗压强度( 软练法) ，m p a a 、b _ 试验常数 ( 2 ) 骨料最大粒径 在相同水灰比条件下，采用大粒径粗骨料，抗压强度降低，对于小水灰比混 凝土强度下降幅度大，而大水灰比强度降低不明显。 美国垦务局试验结果表明，在不同水泥用量条件下，最大骨料粒径对混凝土 强度影响是不同的，对水泥用量高的混凝土，最大骨料粒径超过4 0 m m 反而下降； 对低水泥用量( 16 7 k g m 3 ) ，混凝土强度随最大骨料粒径增大而增加；对中等水泥 用量( 2 7 9 k g m 3 ) ，骨料最大粒径超过4 0 m m 后强度基本不变。 ( 3 ) 含气量 混凝土含气量高，抗压强度低，每增加1 含气量，抗压强度降低3 - - - 5 。 ( 4 ) 龄期 混凝土强度增长与胶凝材料水化程度有关，一般来说，混凝土抗压强度与龄 期的对数值近似直线关系，即 忐=1+mlnif，一tr l 2 8 、1 ) 沿3 ) c 勰 式中r 。一t 龄期混凝土抗压强度，m p a r 。r 一2 8 d 龄期混凝土抗压强度，m p a ( t 一龄期，d 1 2 扬州大学工程硕：j 二学位论文 扩试验常数，与水泥品种、掺合料品质有关，n l 值为直线的斜率，表示 混凝土强度增长速率 2 抗拉强度 混凝土抗拉强度是表征混凝土抗开裂性能的主要参数，是重要的设计指标。 混凝土抗拉强度分劈抗拉强度( 劈拉强度) 与轴向拉伸抗拉强度( 轴拉强度) 两 种。 混凝土的轴心抗拉强度f 。低于抗压强度f 。，f 。仅相当于f 。的1 9 1 1 8 ，当 f 。越大时，f 。f 。的比值越低。凡影响抗压强度的因素，一般对抗拉强度也有相应 的影响。然而，不同因素对抗压强度和抗拉强度的影响却不同。例如水泥用量增 加，可使抗压强度增加较多，而抗拉强度则增加较少。用碎石拌制的混凝土，其 抗拉强度比用卵石的为大，而骨料形状对抗压强度的影响相对较小。 根据与轴心受压强度相同的理由，规范取用关系式 z = o 2 列龙 ( 2 4 ) 3 复合应力状态下的混凝土强度 上面所讲的抗压强度和抗拉强度，均是指单轴向受力条件下的所得到的混凝 土强度。但实际上，结构物很少处于单向受压或单向受拉状态。工程上经常遇到 的都是一些双向或三向的复合应力状态。 根据现有的试验结果，可以得出以下几点： 双向受压时，即两个方向的主应力为压应力，第三方向的主应力为零时， 混凝土的强度比单向受压的强度为高。也就足说，一向强度随另一向压应力的增 加而增加。 双向受拉时，混凝土一向抗拉强度基本上与另一向拉应力的大小无关。也 就是说，双向受拉时的混凝土强度与单向受拉强度基本一致。 一向受拉一向受压时，混凝土抗压强度随另一向的拉应力的增加而降低。 或者说，混凝土的抗拉强度随另一向的压应力的增加而降低。 陈伟太平闸反拱底板裂缝成因及安全性研究 1 3 2 2 - 2 混凝土的变形 混凝土变形性能主要包括极限拉伸、徐变、自生体积变形、温度变形和干湿 变形等，都以1 0 书为单位。 1 极限拉伸变形 混凝土极限拉伸变形是在混凝土拉伸试验的拉伸应力一应变曲线上最大应力值 所对应的拉应变 从拉伸试验得到的应力一应变曲线可见，从0 点到a 点( 混凝土极限荷载 4 0 一5 0 ) 的范围，o 与呈线性关系，即图中曲线0 a 段，为弹性变形；当荷 载继续增加，混凝土中的微裂缝开始扩展，其应力一应变曲线就逐渐偏离直线而向 下弯曲，微裂缝继续扩展，直至极限荷载o 。，e 。e 为塑性变形。因此，混凝土 极限拉伸变形包括弹性变形与塑性变形两部分。由于试验技术存在无法克服的困 难，混凝土极限拉伸试验结果离散性大。影响极限拉伸试验结果的因素有试验条 件、混凝土水灰比和龄期等。 混凝土受拉极限应变值e 。的大小对水工建筑物的抗裂性能有很大影响，提高 混凝土的极限拉伸值在水利工程中是有其重要意义的。 极限拉伸值随着抗拉强度的增加而增加。除抗拉强度以外，影响极限拉伸值 的因素还很多；经潮湿养护的混凝土的e 。可比干燥存放的大2 0 5 0 ；采用高标 号水泥可以提高极限拉伸值；用低弹性模量骨料拌制的混凝土或碎石及粗砂拌制 的混凝土，e ，。值也较大；水泥用量不变时，增大水灰比，会减少e ，。值。 1 4 扬州大学工程硕 = 学位论文 2 徐变 混凝土在荷载长期持续作用下，应力不变，变形也会随着时间而增长。这种 现象，称为混凝土的徐变。 产生徐变的原因是因为混凝土受力后，水泥石中的凝胶体产生的粘性流动 ( 颗粒间的相对滑动) 要延续一个很长的时间，因此沿混凝土的受力方向会继续 发生随时间而增加的变形。当然，徐变与结合面裂缝的发展也是有关的。 影响徐变的因素众多，精确计算比较困难。常用的表达式是指数函数形式或 幂函数与指数函数的乘积形式： c ( t 、t ) = ( a + bt1 ) 1 - e 州 ( 2 - 5 ) 式中c ( t 、t ) 一单位应力作用下产生的徐变，称为徐变度 - c 一加荷龄期 ( t 、t ) 一持荷时间 a 、b 、c 、d _ 均为试验常数，决定于混凝土的性质 混凝土的徐变会显著影响结构物的应力状态。可以从另一角度来说明徐变特 性：如果结构受外界约束而无法变形，则结构的应力将会随着时间的增长而降低， 这种应力降低的现象称为应力松弛。松弛与应力是一个事物的两种表现方式。 因混凝土徐变引起的应力变化，对水工结构来说在不少情况下是有利的。例 如局部的应力集中可以因徐变而得到缓和；支座沉降引起的应力及温度湿度应力 也可由于徐变而得到松弛。 混凝土徐变的一个不利作用是它会使结构的变形增大。另外，在预应力混凝 土结构中，它还会造成较大的预应力损失，是极为不利的。 3 自生体积变形 在恒温绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用引起的混凝士体积变形称为自生 体积变形( 简称自变) 。掘凝土自生体积变形值与水泥品种、水泥用量、水泥混 合材料种类、混凝土掺和料品种和掺量等有关。一般来说，普通水泥混凝土自变 陈伟太平闸反拱底板裂缝成因及安全性研究 1 5 为收缩，而矿渣水泥、m 9 0 含量大的中热水泥混凝土自变为膨胀，混凝土自变值随 粉煤灰掺量的增加而减少。 混凝土自变值一般为( 2 0 - - - , 1 0 0 ) 1 0 吨，相当于混凝土温度变化2 1 0 。c 所引 起的变形，这充分说明混凝土自变对混凝土抗裂性有着不容忽视的影响。 4 温度变形 混凝土与别的材料一样也会热胀冷缩，混凝土随温度升降而发生的膨胀、收 缩变形称为混凝土的温度变形。混凝土不仅因外部温度的变化产生变形，也因自 身的温度变化产生变形，这就导致混凝土温度变形问题比较复杂。 众所周知，水泥石是多孔质的含水凝胶体，当温度上升时，除凝胶颗粒热膨 胀外，还有水泥石中水的热膨胀，水的线膨胀系数约2 1 0 x1 0 - 岳o c ，大大高于混凝 土的线膨胀系数( 6 - - - - , 1 2 ) x1 0 而 c 。另外，水泥石内部还存在毛细孔，当温度上 升时，毛细孔水的表面张力减少，作用在水泥石毛细孔壁的一部分收缩力释放， 水泥石就膨胀。 在约束条件下，混凝土浇筑块产生温差t 引起的温度变形为qa t ，a 为混 凝土线膨胀系数。当qa t e 。( 极限拉伸值) 时，混凝土即出现裂缝，但实际 上混凝土有徐变与塑性变形，约束条件也不可能是绝对约束。因此，大量工程实 践表明，当q t 。时，很多情况并不开裂。但也有当a t 。时，混凝土 似乎不该裂却裂了，这是因为存在有害收缩变形，除温降收缩变形外，还有干缩 变形，因此没有很好湿养护的混凝土很易产生裂缝。 5 干湿变形 混凝土失水干燥时会产生收缩( 干缩) ，已经干燥的混凝土再置于水中，混凝 土又会重新发生膨胀( 湿胀) ，这说明外界湿度变化时混凝土就会产生干缩与湿胀。 湿胀系数比j f ：缩系数小得多，而且湿胀常产生有利的影响，一般不考虑湿胀的影 响。 当干缩变形受到约束时，结构会产生干缩裂缝，则必须加以注意。如果构件 1 6 扬州大学工程硕士学位论文 是能自由伸缩的，则混凝土的干缩只是引起构件的缩短而不会产生干缩裂缝。但 不少结构构件都程度不同地受到边界的约束作用，例如板受到四边梁的约束，梁 受到支座的约柬，大体积混凝土的表面混凝土受到内部混凝土的约束等。对于这 些受到约束不能自由伸缩的构件，混凝土的干缩就会使构件产生有害的干缩应力， 导致裂缝的发生。 外界相对湿度是影响干缩的主要因素，此外，水泥用量越多，水灰比越大， 干缩也越大。因此，应尽可能加强养护不使其干燥过快，并增加混凝土密实度， 减少水泥用量及水灰比。混凝土的干缩应变一般在( 2 0 0 , - - - 6 0 0 ) x1 0 吨之间。 2 3 混凝土的热学性能 水泥混凝土加水拌合时，其中的水泥水化反应时释放出一定量的热能，导致 混凝土温度升高，这就是混凝土的水泥水化温升现象。混凝土热学性能主要包括 绝热温升、比热、导热系数、导温系数、热膨胀系数等，这些性能都与温度有关。 1 绝热温升 在绝热条件下，由于水泥水化反应所释放的热量使混凝土升高的温度值，称 为混凝土绝热温升。在混凝土温度控制计算温度应力时，它是一个必要的参数。 影响混凝土绝热温升的因素有： 水泥品种。水泥品种对混凝土绝热温升影响反映在水泥矿物组成上，水泥 中发热量最大、速率最快的是c ，其他成分按次序排列是c 。s 、c 。s 、c , a f 。因此， 低热水泥混凝土绝热温升最低，中低水泥次之，硅酸盐水泥高，早强水泥为最高。 水泥用量。混凝土绝热温升随水泥用量的增加而增加。 掺合料。混凝土掺加掺合料( 粉煤灰、矿渣粉等) 对混凝土绝热温升有显 著影响，一般绝热温升随掺合料增加而降低，例如碾压混凝土水泥用量低而粉煤 灰掺量高，其绝热温升就比常态混凝土低。 2 比热 比热表示l k g 物质温度升高或降低1 时所吸收或释放的热量，其单位为 陈伟太平闸反拱底板裂缝成因及安全性研究 1 7 k j ( k g ) 。影响混凝土比热的因素有温度、龄期、配置混凝土的用水量、水泥 品种、骨料品种等。 混凝土比热受温度影响比较明显，温度从1 0 。c 增加到6 5 c ，混凝土比热大约 增大2 0 。混凝土拌和用水量从4 ( 按单位体积混凝土质量计) 增加到8 ，混凝土 比热增加1 0 左右。水泥品种、骨料品种、龄期等对混凝土比热影响都相对较小。 3 导热系数与导温系数 导热系数是指厚度l m 、表面积1 m 2 的材料，当两侧面温差为1 时，在l h 内 所传导热量，是表征混凝土热传导能力的性能参数。其单位为k j ( m h ) 。导 热系数越小，材料的隔热性能愈好。 导温系数表示材料在冷却或加热过程中，各点达到同样温度的速率。其单位 为f f h 。导温系数为0 0 0 2 一- - 0 0 0 6 f f h ，主要取决于骨料矿物成分。石英岩骨料 混凝土导温系数最大，其次按下列顺序减小：白云岩、石灰岩、花岗岩、流纹岩、 玄武岩骨料。 混凝土导温系数与导热系数之间有以下关系： 七：三( 2 6 ) pb 式中k 一导温系数，m 2 h 入一导热系数，k j ( m h ) p 一混凝土表观密度，k g 岔 b 一混凝土比热，k j ( k g ) 4 线膨胀系数 单位温度变化导致混凝土单位长度的变化称为混凝土线膨胀系数q ，其单位 为1 0 。6 。c ，其大小主要取决于骨料品种和温度高低。骨料品种对混凝土线膨胀系 数影响见图2 - 2 ，从图中可以看出，石英岩骨料混凝土q 值最大，石灰岩骨料混凝 土a 值最小。因为a 值大小直接影响混凝土温度收缩变形qa t ( 有害) 的大小， 1 8 扬州大学工程硕： ：学位论文 “峨 茹 k o 荔 域 澎 琵 缫 震 “ 滗 襞l 銎堡笺曼。，上一 6羁i 9 i 2 1 4 混凝土酾线彩磁缓数( 1 0 “誓) 1 6 图2 - 2 骨料品种对混凝土线膨胀系数的影响 石灰岩骨料q 值为( 5 一- 6 ) 1 0 吨。c ，而砂岩、石英岩骨料混凝土q 值为( 1 2 - - - - 1 3 ) 1 0 咱，当降低l 时，后者温降变形比前者大一倍，对混凝土的抗裂性极 为不利，因此在可能条件下，尽量选用石灰岩骨料，不选用砂岩。 混凝土温度对混凝土线膨胀系数影响见图2 - 3 ，从图中可以看出，当相对湿度 为9 0 ，温度大于1 0 ，q 值几乎不变；温度小于1 0 ，q 值随温度下降而减少。 当混凝土相对湿度为1 0 0 ，温度大于1 0 时，q 值也几乎不变；温度小于1 0 。c 时， a 值随温度下降而减少，且比湿度为9 0 时下降快。温度接近一5 时q 值最小，继 续降温，q 值又逐渐增大，下降到一1 5 以下时，q 值又几乎不变，且比大于1 0 室温时的略高。 3 0 扩 毡 2 0 籀 编 耋1 0 缀 期财缀缓 0 l 。，k 。 - 3 0 2 0 一1 0 0 镑2 勤 缀壤f 1 图2 3 混凝土线膨胀系数与混凝土试件温、湿度关系 r；卜i；k；kl；k；，l卜；l 4 ， 心 地 掩 8 6 4 2 陈伟太平闸反拱底板裂缝成冈及安全性研究 1 9 2 4 混凝土的耐久性 混凝土的耐久性指在环境的作用下，随着时间的推移，混凝土维持其应用性能 的能力。也可以说成，混凝土耐久性是对风化作用、化学侵蚀、磨耗或任何其他 破坏过程的抵抗能力。 混凝土的耐久性在一般条件下是较好的。但混凝土如果抵抗渗透能力差，或