（水工结构工程专业论文）拱坝混凝土温控防裂研究.pdf

摘要 本文圈绕撼坝混凝主的溢控防袭闷题，从理论釉蜜践上系统魄研究了撰坝濑凝土 滠度场酾应力燧的仿冀计黪理论，并对狂建工耀华熬浮拱壤滋凝土静激控阀题送褥了 详囊懿分辑耪谚究。主要凌容露下： 1 本文练逑了漫震场、瀵瘦场、震力场秘渥控淤耧诗算孛涉及爨麓有关溅凝主静 一些物遐力学性能。 2 太体鞭漫凝结褥一般帮是分援懑笺鹣。浇筑曩麓不瓣，务涎襞袋戆耱毽参数、 热学边界条件郝要发生变化，阑丽在计冀分析中要对熬个旅工过筏进行模拟鼹踩，并 充分反敞材料参数、边界条件和网格随时空变化的特性。本文对究垒橇拟大体积混凝 分震骧n i 实际过翟戆滠鹰及盛为镑娄计冀懿誊卡算方法徽了详缨鹣溺遮，绽餐了大薅 积混凝士三维濑度场和威力场仿真计算程序。 3 东警冷郯是拱壤游凝圭豹圭要滋控臻戆之。麓者采蘑毙撩黪嵇寞按蓉，编裁 了哥_ | 鬟考意承蒙冷嫠麓凝激主结鞫溢菠场及应力绥三维稼赛诗冀毽枣。本文慰承餐冷 麓靛多释算法筵 = i 亍了蘑述帮玩较，并对承瞽冷却豹效袋避行了详尽瀚分静亍。 4 。本文阑述了遗传算法的旗本原理，著应用该方法，结合露水j e 调- i 程江苏段宝 瘦泵菇王翟滋凝遗控黪裂骚究这一瓣辑矮嚣鼹混凝土瀚熬学参数遴孬了反覆诗簿分 瓤。 5 沦述丁擞坝混凝土产生裂缝的危密性及熊原因，并针对性地提如多种湓控防裂 攒德。 6 ，对华光潭混凝擞坝温控防裂研究这一科研项目深入开展了有关理论和实际 遂溺方灏豹靖究工作。鬟点研究了寒灞、浇蔬鬣淳帮落水等对援坝混凝温度场和应 力场兹彩璃；瓣矮箨一麓冷部帮三鼗冷帮熬冷帮效栗滚行了详绥努橱；著赞对径缝提 出了相成的溢撩防裂揞施，以解决工程实际问髓。 装键摅：揆璞滋凝、潺嶷黼、滠度场、应力场、鸯黻元傍真分瓣、承篱冷却、溺凝 热学参数、度演分辨、渥控攮藏 a b s t r a c t c o n c e n t r a t e do nt h e q u e s t i o n s o ft e m p e r a t u r ec o n t r o la n dc r a c kp r e v e n t i o ns t u d i e so n c o n c r e t eo fa r c hd a m s ，s i m u l a t i v ec a l c u l a t i o nt h e o r i e so ft e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l d so f c o n c r e t eo fa r c hd a m sa r es 3 ，s t e m a t i c a l l ys t u d i e di nt h e o r ya n dp r a c t i c e ，t h et e m p e r a t u r e c o n t r o lo f h u a g u a n g t a na r c hd a m i sa n a l y z e da n ds t u d i e di nd e t a i l t h em a i nc o n t e n t sa r ea s 蠡l l o x 、s ： 1 m u c h p h y s i c sm e c h a n i c s c h a r a c t e r i s t i co fc o n c r e t ei so v e r v i e w e d ，w h i c hi su s e di n c a l c u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l d m o i s t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l da n dt e m p e r a t u r ec o n t r o la n d c r a c kp r e x e n t i o n ：m a s sc o n c r e t es t r u c t u r ei sc o n s t r u c t e db yl a y e r s t h ep h y s i c sp a r a m e t e r sa n dt h e t h e r m a lb o u n d a r yc o n d i t i o n so fc o n c r e t ec h a n g ew i t ht i m e + t h e r e f o r et h ew h o l ec o n s t r u c t p r o c e s ss h o u l db es i m u l a t e da n dp a r a m e t e r so fm a t e r i a l s ，b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dm e s h s h o u l db e c h a n g e dw i t ht i m e i n c o m p u t i n g 。a ne f f e c t i v e m e t h o df o r c o m p u t i n g t h e t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do f m a s sc o n c r e t ei sd i s s e r t a t e d t h em e t h o dc a ns i m u l a t e p r e c i s e l yf o rm a s sc o n c r e t e ，w h i c hc o n s t r u c t e db yl a y e r e d 。t h e3 - dt e m p e r a t u r ef i e l da n d s t r e s sf i e l ds i m u l a t i v ec a l c u l a t i o n p r o g r a m i sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d 。 3 p i p ec o o l i n gi so n eo f t h em o s tt e m p e r a t u r ec o n t r o lm e a s u r e so fc o n c r e t eo fa r c h d a m s t h e3 - ds i m u l a t i v ec a l c u l a t i o np r o g r a mc o n c e r n i n gt e m p e m t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l d a p p l y i n gp i p ec o o l i n gi sc o n d u c t e db ya d o p t i ! n gm o r ea d v a n c e ds i m u l a t i o nt e c h n i q u e + m a n y k i n d so f m e t h o d s o f p i p ec o o l i n g a r ed i s s e r t a t e da n d c o m p a r e d 。a n d t h ee f f e c to f p i p e c o o l i n g i sa n a l y z e de x h a u s t i v e l y 4 i td i s s e r t a t e st h e p r i n c i p l e o fg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h et e m p e r a t u r ep a r a m e t e r so f c o n c r e t ea r eb a c ka n a l y z e db yt h i sm e t h o di nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c ho fb a o y i n gp u m p i n g s t a t i o n 5i te x p o u n d sh a r m f u l n e s sa n dc a u s eo f c r a c ko f c o n c r e t eo f a r c hd a m s ，a n dm e a s u r e s o f c r a c k p r e v e n t i o ni ns u c hs t r u c t u r e sa r es u g g e s t e d 6 b a s e do nh u a g u a n g t a na r c hd a r n p r o j e c t ，t h es t u d i e so f r e l a t em e t h o da n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o na r ed e v e l o p e d t h ee f f e c to f c o l dw a v e ，l a y e rt h i c k n e s so fc o n s t r u c ta n ds l u i c et o t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l da r es t u d i e d t h i sp a p e ra n a l y s i st h ee f f e c to ft h ef i r s ts t a g e c o o l i n ga n dt h es e c o n ds t a g ec o o l i n g p e r t i n e n tm e a s u r e so ft e m p e r a t u r ec o n t r o la n dc r a c k p r e v e n t i o na r es u g g e s t e d ，s e t t l i n gt h ep r a c t i c ep r o b l e m si np r o j e c t s k e ) 1 v o r d s ：c o n c r e t eo fa r c hd a m ，t e m p e r a t u r ef i e t d ，m o i s t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l d ，f e m s i m u l a t i v ea n a l y s i s ，p i p ec o o l i n g ，t h e r m a lp a r a m e t e r so f c o n c r e t e ，b a c ka n a l y s i s ，t e m p e r a t u r e c o n f r 0 1m e a s u r e 1 1 1 拱坝发展状况 第一章绪论 1 1 拱坝发展状况及其特点 人类修建拱坝具有悠久的历史。据现有资料 l 】，最早的圆筒面圬工拱坝可追随到 古罗马帝国时代，高1 2 m 的法国鲍姆拱坝就建于古罗马时期【5 ”。早期的拱坝没有理 论指导，前人在实践中积累经验、摸索前进。1 7 世纪随着欧洲工业革命和工程力学的 诞生，丌始用简单的薄壁圆筒公式设计拱坝，虽然没有考虑拱圈之间的作用力，但是 水平拱圈的作用得到了反映。1 9 世纪末美国建造的斯威特沃特坝改变了上游面垂直的 传统做法，上游面设计成倾斜的。 2 0 世纪初，工程师们对固端拱做了大量研究工作，固端拱法初步反映了坝肩对拱 圈的约束作用，比圆筒法更接近实际的受力状态。1 9 1 4 年，按固端法设计的鲑鱼 ( s a l m o n ) 拱坝，是第一座变半径拱坝，并在坝内设置3 条径向横缝，表明己认识到 温度荷载对拱坝的重要影响。 n - 十世纪2 0 4 0 年代，美国开始修建较高的拱坝，其中有高达2 2 1 m 的胡佛 坝( h o o v e rd a m ) ，是第一座超过2 0 0 m 的高拱坝，该坝采用水管冷却，效果良好， 至今仍是混凝土坝施工的主要冷却手段。1 9 3 9 年意大利建成了高7 5 m ，设有垫座及 周边缝的奥西列塔薄拱坝，对双曲拱坝建设起了很大的推动作用。在这一时期，拱坝 设计理论和施工技术有了较大的进展，如应力分析的拱梁试载法、坝体温度计算和温 度控制措施、坝体分缝和接缝灌浆、地基处理技术等。 5 0 年代以后，西欧各国和日本修建了许多双曲拱坝，在拱坝体型、复杂坝基处理、 坝顶溢流和坝内开孔泄洪等重大技术上有了新的突破，从而使拱坝厚度减小，坝高加 大，即使在比较宽阔的河谷上修建拱坝也能体现其经济性。 进入7 0 年代，随着计算机技术的发展，有限单元法和优化设计技术的逐步采用， 使拱坝设计和计算周期大为缩短，设计方案更加经济合理。水工及结构模型实验技术、 混凝土施工技术、大坝安全监控技术的不断提高，也为拱坝的工程技术发展和改进创 造了条件。目前世界上已建成最高的拱坝是格鲁吉亚的英古里拱坝，最大坝高2 7 2 m ， t h = 0 1 9 。 中国有修建坝和拱桥的悠久历史，但是修建拱坝是近代才开始的，第一座拱坝建 造f 1 9 2 7 年，福建厦门的上罩浆砌石拱坝，坝高2 7 m 。1 9 4 9 年以后我国开始大规模修建 第一章绪论 拱坝。晌i = 接甸重力拱坝是我国第一座高拱坝( 坝高8 7 5m ) ，流溪河拱坝是我国第一座 混凝土双曲拱坝( 坝高7 8n 1 ) 。 据国际大坝委员会统计，1 9 8 8 年全世界坝高超过1 5 m 的拱坝共1 5 9 2 座，其中我国有 7 5 3 座，占4 73 ；又根据中国大坝委员会的统计，截至1 9 9 8 年底，中国已建成高度3 0 m 以上的拱坝5 1 l 座。其中包括高1 7 8 m 的龙羊峡拱坝，高2 4 0 m 的二滩拱坝【2 1 5 ”。目前正 在建设中的小湾拱坝高2 9 2 m ，建成后将是世界第一高拱坝。设计中的溪洛渡、锦屏一 级等拱坝，不仅坝高都在3 0 0 m 量级，而且按坝身体积、泄洪能量和装机规模来衡量， 都位列世界最前茅，中国不仅是世界拱坝大国，也是世界拱坝强国。 中国具有丰富的水能资源，到目前为止只开发了1 9 左右【6 引。随着国家西韶大开 发战略的逐步实施以及国家电力能源结构的调整，我国西部( 特别是西南地区) 的水电能 源开发将更加得到重视口j ，西南地区有许多坝址适合修建高拱坝，中国的拱坝建设正面 临着一个崭新的机遇。我国在拱坝设计理论、计算方法、结构形式、泄洪消能、施工 导流、地基处理、枢纽布置、运行管理以及温度控制等方面都有了很大的进展，积累 了很多有益的经验，并在某些方面显示出我国的特点。 l - 1 2 拱坝的主要特点 拱坝是主要的坝型之一，以体型优美、结构合理、超载能力强而著称。在狭窄河 谷建造水坝，拱坝是一种即经济又安全的坝型，对于高坝，拱坝的优势尤为明显。 拱坝n g = ； t - 葡载主要通过坝体拱的作用传递到坝肩岩体，部分通过坝体悬臂梁的作 用传至坝基，坝体应力状态以受压为主。拱坝的这一特性便于充分利用筑坝材料( 混 凝士或砌石) 抗压强度高的特点，从而可节省材料。拱坝的稳定性主要依靠坝肩岩体 维持，不像重力坝那样主要依靠自重维持因此，拱坝体积一般较重力坝小得多，在 坝址、坝高条件相同的情况下，拱坝所需的坝体混凝土为重力坝的1 3 。2 3 ，特别是 当薄拱坝与重力坝相比时，坝体工程量常可节省2 3 以上刚。 拱坝通常属周边嵌固的高次超静定结构，当外荷载增大或坝的某一部位因拉应力 过大而发生局部丌裂时，能调整拱作用和粱作用及其荷载分配，进行坝内应力重分配， 不致使坝丧失全部承载能力。国内外拱坝结构模型破坏试验表明：混凝土拱坝的超载 能力可达设计荷载的5 1 1 倍口踟。裂缝对于拱坝的威胁不像其他坝型那样严重，拱坝 水平裂缝中的扬压力只会降低坝体悬臂梁的作用，但一般拱坝都是以独立的水平拱进 行设计的，悬臂的结构作用只作为一种安全裕度。铅直裂缝会使拱圈未开裂部分的应 力增加，原来的拱圈变成具有更小曲率半径的拱圈，坝内应力重分配，成为无拉应力 的有效拱。所以按结构的观点，拱坝坝面允许局部开裂。在两岸有坚固岩体支撑的条 件f ，坝的破坏主要取决于压应力是否超过筑坝材料的强度极限。一般混凝土均有一 肖志乔碳上学位论文2 0 0 4 年3 月 定的塑性和绦变特性，在局部应力特大的部位，变形受限制的情况下，经过一段时间， 混凝土的徐变变形增大，弹性变形城小，从蔗这些特大应力鸯赝降低。因此，拱坝在 合适的地形地艨条件下具有穰强的超载能力1 4 j 。 拱坝是整体性鲍空闻结梅，坝体较坚翅，塞有弹性，又能鑫行调蹩英结构牲能， 因此可提高坝体的抗震能力。但拱坝坝体断面较薄，几何形状复杂，因此对施工技术、 旌工质量控制和筑坝幸葶制的强度等均有较高螅要求，对地基处理的要袋更为罗擦。 萤力坝因有横缝，混凝土体积变形只在熬础约束区和老混凝土约束区内引起应 力，聪离约束区后，均匀体积变形不g 起应力。拱坝魁不同，金坝跌上裂下邦受裂嚣 岸基岩的约束，均匀体积变形都会引起应力。 在重力蛾蠹，温辫孳l 起控应力，激嚣引越茨应力，撰圭盈懿中瑟在空阕是鼗嚣，不 但温降引起拉应力，温升也引起拉应力。对拱圈来说，温升在两端下游面和拱斌上游 露引起拉应力，缺坝懿整露来说，湿秀时，梁羧雄岛上游交位，在坝馋下部下游莲会 引起拉应力。例如，我图丰乐拱坝因温升而在下游面出现平行予基础的大裂缝，瑞士 车伊齐尔拱坝圆鼹岸岩石相对变位( 担巍于湿嚣) 嚣在坝体下游藤弓 起乎嚣于基继戆裂 缝”j ，阑此，对于拱坝，不但要控制施工期的温度，述器控制运行期的温度；不但要 控制溢咚，也要控制瀛升。 拱坝一般比较单薄，对外界气温和水温的变化比较敏感，坝内温度变化较大。除 了坝项鞠叁枣边爨外，英毽三瑟巷受到基豢懿终寒，羼予毫次越静定缝褥，漫浚变形 受到的外界约束比较大，因此在拱坝肉可能出现较大的温度应力。 综羔蹰述，摸坝楚一静坝务及基戳工终条譬好，超载靛力掇强抟竣工结擒，有最 可靠的抵御意外洪水和涌浪翻坝的能力，抗震性能好，垮坝事故率低和耐久性能够得 到保证瓣承坝，综合安全性缦寒，同时畜较大瓣经济瞧。 l 。2 拱坝混凝瀵度场鞠应力场的研究进展 l 。2 。1 揍蓼 演凝湿度场耧癍力场的研究方法 拱坝混凝温度场蠲应力场戆霹究方法一般可分为理论鳝季厅法莘藿近毂方法琵类 理论解辑法主要慧瘸亲衷翳边赛象臀毖较麓萃静鬣维运悉，常矮懿方法寄分离变 漫法和拉普拉斯变换法。理论解析法对了解温度场和应力场的一般规律方面具有一定 鲍馊鼹馀篷，毽浚方法遴鬻只能辩决甚为篱单懿溺题，蔼实嚣_ i 程淀蘧均矮复杂阁蔻， 因此理论解析法在实际工程温度场和应力场的仿真计算方面应用价值不大。但是理论 第一章绪论 解析法可以验证近似方法( 尤其是数值方法) 的可靠性和精确性。 近戳方漩主要惫摇数穰熊法、潮解法、亳熬模掇法和承热模叛法等。其中后嚣尼 种方法近年来应用很少，因此近似方法主要指的是数值解法。数值解法根据其计算原 理静不蕊，叉分为羞分法、边器元滚、畜限元法窝搂鍪试验法等。差分法主要透予一 些边界规则简单的低维问题，而对边界复杂、材料多样的高维问题则比较困难，因此 差分洼在实踩运凄中鬻觅予浇筑层( 块) 熬维滠凄场诗算竣壤诲建潺囊场验一维髅 算，偶尔也商用于坝体温度场的二维计算。幽于仿真计算过程中边界条件、率于料特性 参数鞠单元潮捂菠萋霹闽兹变纯瑟交 乏，嚣鼗运用边爨元法寐疑决瀑发场豹傍囊诗冀 问题还比较嘲难，且目前该计算方法在混凝土坝应力场中的运用提及甚少。有限元法 是随麓诗算执豹出现与普及掰逐速发震起来嬲数僮懿法，现羹渗透至l 工程结橡诗冀中 的各个领域。采用有限元法计算非稳定温度场及徐变应力场，般采用有限元一蔗 分法，即在窆闽域采髑有限元寓教，在财阉域采忍差分离散。强前在进行坝锩瀑度场 和应力场的仿真计算中均采用有限元法，能有效地模拟坝体的整个施工过程和材料特 性参数随凝期的变化过程以及边界条件的变化过程，嶷现坝体在整个施工期和运行期 的仿真计算，是目前簸为常用的计算方法。对于重要工程往镀还进行整体的地质力学 模型进行试骏研究。 l 。2 2 混凝土拱坝滠度场帮应力场研究现状 温度变化对大体积混凝土结构的应力状态具有重要影响，有时温度应力可超过其 它蕊载所弓 戆瓣应力，甚至产生瀑霞裂缝。2 0 毽纪秘，久嬲赣已意识鬟这个簿题。 对大体积混凝土结构温度场及温度控制进行系统研究，国外起步较早。2 0 世纪 3 0 年代中赣，美霞穆建胡馋袋，是当辩整彝上最高的溅箍主攥壤，酸对埙体溢度获穗 进行了系统的研究，取得了很多成果。之后，俄罗斯、巴西等国对大体积混凝土的温 度控翻标准、遗度挖麓缮施及裂缝趣题遣徽了深入静搽讨器】。 旧中国自己没有兴建过混凝土坝，在混凝土温度应力方面没有进行过任何研究工 作。2 0 整纪5 0 年代，朱倍芳首先涉是这个领域，并先后发袭掰篇论文l “”，标志着我 国对大体积混凝土温度及温鹰应力系统研究的开始，经过半个世纪的努力，取得了丰 硕成聚砖，解决7 不少混凝j = 工程静澄控目憨。 嗣前，理论解析法常采用美国垦务局经骏公式分析坝体温度场，该方法简单，但 只考虑了埙侮厚度的影确，没有考虑琐址气候条件帮城前东深的影响，与实鼯情况褶 差较大：针对这一情况，朱伯芳、黎展眉】对实际观测资料进行了分析，发现气温 和水漱的交化与余弦函数楣近，在假定气温帮承温随辩闻的余弦函数资亿，分巍给宙 了上f 游方向等效温麓的无穷级数解、温度荷载的复变函数解。这些解与原来的计算 薅怎乔礤士学使论文2 0 0 4 年3 舞 方法提魄，毒了较大懿送步，德应薅予实际工稷，萁诗舞仍攮繁璞。凳j 迦，寒德莠f 羟l 引入三个特征温度场的概念：封拱温度场、运行期年平均温度场及运行期年变化温度 场，然露绘出攘应数计髯方法，从露缛列搓坝滋度芬载瓣计算公式。实骣工程豹边赛 条件非常复杂，很难求解出坝体温度场的理论解。 髓萋专卡算凝戆发震，藿悫辨学者营遮采用蠢双元法疆究凌薅湛爱黢力。寒獭芳熬 研究成果显著，先后出版了两本专著 m 3 1 ，对大体积混凝土的濑度应力的计算原理进 行了充分豹论述；丁宝袋等在瀑度应力诗葵中考虑耪料参数变纯熬影甄；潘牮大学 刘光廷簿将断裂力学引入仿真计算中，应用“人工短缝”成功地解决了溪柄碾联混凝 拱坝的温度疲力超题l l 靶；警鹾扬等系缝她研究7 碾愿滠凝土拱坝孛“诱导缝”戆等 效强度、设置位麓、开裂可靠性问题，熬成果直接被沙牌碾压混凝土拱坝所采用【1 6 1 ； 天津大学赵代深、李广逡结合国家攻关项嚣在混凝拱坝全过程多因素伤奏分辑簿方 面取得了一批成果h q ：结合东风双曲拱坝，我国酋次研究了混凝土高拱烦施工和运行 全过程仿真，预报温度期应力的变化f l6 j ；张宅鑫、黄达海等对采用跳仓浇筑离拱坝施 工过程全过程溢度及应力的特点及变化规律进行了研究i 吲。 1 3 淘题的提出 挨矮是一释经滚连鞠安全蕊繇缀磐豹霉l 型。混凝擞瑷静热力学往能是壶颤律的 几何特征、混凝土的热力学性能、气温和水温的演变及同均太阳辐射特性来确定的。 揆矮一黢较薄，淹步 赛气滠蟊承滠戆影镳篦较大，矮痨漆疫交纯较大。蠢溢度交纯露 使混凝土产生的应力必须与坝体的整体特性及蒸础与拱肩对坝的位移所加约束条件 练合考惑p ”。奎予摸竣一般掺建在狭窄靛蛟答墨，嚣1 龟滁了莓l 该帮叁蠢迭赛努，装恁 三面都受到基岩的约束，拱坝结构的超静定特性引起的混凝土应力状态的重大改变往 往篷现我拱圈中，湛度受影受到的羚赛约寒魄较大，因懿在摸瑗内可戆爨溪较大簸温 度应力，当应力越过了混凝土的极限强度，或其应力变形超过了泓凝土的极限变形值。 混凝就会产生裂缝。 国内外许多拱坝由于各种不同的原因产生了很多裂缝。在众多裂缝中，无论是垂 纛予还楚乎嚣予矮辘线方海缒基疆嫠穿裂缝或滚绥裂缝翁跫害羧都是分严重熬。这 然裂缝破坏了拱坝结构的整体性，改变了设计安排的应力分布和坝体的受力条件，从 蕊套可麓镬局却缀糖甚至整体结糖发生破坏，馨锭是般熬表瑟裂缝对澎凝敬戮天 性也是有损害的。 撰壤裂缝兹镄予毒缀多，雩| 超搽臻裂缝藏藤鞭遣穰多。在接缝灌浆疆麓豹藏王逶 程中，各混凝土浇筑块很容易出现裂缝：薄层长问歇是引起裂缝的一个重要原因；寒 潮是s l 莛袭瑟裂缝懿重要琢嚣，褥显在一定条箨下表瑟裂缝会发震残深蓬或贯穷囊 缝；由于基础温纛减内外温差而程浇筑块内声生的温度成力，遇到孔口、尖角、形敞 第一章靖论 突变等引起应力集中的结构形状时，报应力往往成倍增加，从而产生裂缝。 镞嫒酌蘸工联混凝主瀑蕊疫力溺簇己越寒越弓l 超人们酶爨褫。由予潼凝主强度等 级高，单位体积水泥用量大，坝体温度应力问题特别突出。在环境参数与材料参数一 定豹储猛下，缎决溢爱应力翡童要工程播麓是麓工过褪中懿瀑菠控素l 。鑫予浚控菇藏 与施工过程紧密相连，需要采用仿真分析技术。 为了防止出现危害牲裂缝，在撰颤设诗中瘦进行详细静漾度应力分析，特鞠要对 整个施工过程进行详绷的仿真计算，制定合理的温控脯裂措施，引导施工，以及在施 工过裰中尽哥能骰虱严格挠行“。 水管冷却导热降漱的温控措施在混凝土拱坝的建设中是最采用的方法之一，但是 对它夜撰袈一潮和二麓冷却过程中韵作用仍然需要遴行准确鹣数值模l 笔l 计算，汝指导 水管冷却温控措施的设计和实施。 1 4 本文的主要内容 本文结合实际工程中拱坝三维有限元仿真分析所涉及问题，对混凝土拱坝温度 场、应力场理谂进行了探讨，并结合工程实例避行了裂缝戏爨分摄翻三维骞隈嚣绩真 分析。主要工作为： l 。本文凌查凌大藿謇内努资趱鳇基礁上，综透了揆撰豹发震、滋疫应力分辑方 法及有限元分析方法的现状。 2 + 综述了温度绥、温度璐、应力场仿奏誊 算分椽中涉及剿豹畜美灌凝懿一些 特性。主要包括混凝土的热学性能；水泥水化热和混凝士绝热温升新老模型；混凝土 静漫凄特往；漫凝懿力学煌能及淀袋兹变澎特毪。 3 大体积混凝土结构一般都是分批浇筑的。浇筑日期不同，各浇筑块的物理参 数、燕学透赛条件帮娶发生交纯，因舔袭诗算分耩中要辩整个藏工遵稔遴行模拟舔踪， 并充分反映材料参数、边界条件和网格随时空变化的特性。常舰的有限元分析方法是 难疆实德臣主黉求懿，因诧露鬟进行计算辊谤粪蓑零貔磅究释探讨。笔者对宠全模瓠 大体积混凝土分层施工的实际过程的温度及_ 陂力仿真计算的计算方法做了详细的阐 述，缡裁了太体辍覆凝主三维漾疫场馥应力绣傍奏计算程彦，并逶逶大量雾铡骧证程 序的正确性。 4 水管冷帮作为浅凝攥埙豹主要湿控疆麓之一，可超鬟擐显麓静温度削蜂俸 用，降低混凝的最高温度，且这种温控措施可靠、灵活，易现场临时调整冷却水温。 本文适蠲有鞭元实现了瘩管冷帮鼹精缁求解，莠糍较好逢应弼子蛇形毒管懿诗髯。本 文结合闰宁碾雁混凝土重力坝和华光潭拱坝的温控防裂研究课题，对混凝土水管冷却 翡终溺透露了浮缀蕊分褥磅究。 6 第二章混凝士材料的特性 第二章混凝土材料的特性 要准确地对实际混凝土工程的温度场、湿度场和应力场进行精密地仿真计算分 析，首先必须对混凝土的各种物理力学性能及其相关参数进行准确的描述。由于混凝 土是由多种材料组成的复合材料，所以又与其组成材料的各自性能有关。这里只介绍 在大体积混凝土中，有关温度应力和温度控制计算中涉及到的一些特性。 2 1 混凝土热学性能 混；凝土的热学性能主要包括导温系数口沏2 ) 、导热系数 k ( m h 。c ) j 、比 热c 眇( k g 。c ) 】、密度p ( k g m 3 ) 、水化热或绝热温升0 等。不同工程混凝土原材 料配合比等有很大差别，因此这些参数也有较大的差别，对混凝土防裂也有不同程度 的影响。根据导温系数的定义，有 a ：三 ( 2 1 1 ) = l z 一- jj c o 混凝土的热学性能应由试验测定，只需测定其中三个，另一个可由上式计算”】。混凝 土的热学性能与骨料、容重及含水状态有关。 导温系数是反映混凝土热量扩散的一项综合指标，又可称为热扩散系数。导温系 数愈大，愈有利于热量的扩散。影响混凝土的导温系数主要因素有：1 混凝土的导温 系数随着骨料用量的增多而加大：2 沙石种类对混凝土导温系数有较大的影响；3 试 验龄期对混凝土导温系数没有明显的影响 2 2 。 反映混凝土传导热量难易程度的一种系数称为导热系数。影响混凝土导热系数的 因素，主要是骨料的用量，骨料本身的热学性能，混凝土的温度及其含水状态，并有 以下几点规律：1 导热系数与混凝土的容重大小有关；2 导热系数随着含水量的增多 而加大，并随温度的增高而加大：3 导热系数与其试件厚度有关，厚度大，导热系数 也大【2 引。 2 2 水泥水化热与混凝土绝热温升 2 2 1 水泥水化热 水泥水化过程中放出的热量称为水泥水化热。随着大体积混凝土在水工建筑物中 肖志乔硕士学位论文2 0 0 4 年3 月 的广泛使用，混凝土中水泥在水化硬结过程中发出数量可观的水化热导致混凝土温度 升高的情况愈来愈受到人们的重视。混凝土是一种热的不良导体，具有很大的热延迟 性和热惰性：浇筑过程中散发出来的水化热在自然传热条件下极难传递，因而其内部 的温度往往需要相当长的时间才能稳定，并且体积愈大愈需要更长的时间。在大体积 混凝土结构中，由于混凝土的导热能力很低，水泥发生的热量聚集在结构内部长期不 易散失形成较大的温差和温度应力，容易引起温度裂缝，给工程带来不同程度的危 害。 水泥的水化热是依赖于龄期的。在工程中，人们不仅关心水泥的水化放热总量， 而且更关心水化的快慢。在影响水化速率的因素中，水化时的温度非常重要，一般地， 水化温度的升高将使水化速率增大；另一个影响水化速率的因素是水泥的细度，因为 较细的颗粒存在较大的比表面积，早期水化速度就快，对不同颗粒同一时间水化程度 一般是一致的，这样比表面积越大，水化程度也越大。 大体积混凝土用的水泥不仅水化热要低，且应有适当的强度。在选择大体积混凝 土采用何种水泥，应当把抗压强度、塌落度和混凝土的绝热温升综合起来考虑。某些 水泥的水化热虽然较小，但强度却很低，在配置混凝土时，需用较多的水泥，结果混 凝土的发热量可能比采用水化热较大、强度较高的水泥时用量还要多，使用这种水泥 是不适宜的。另外，在相同塌落度的条件下，不同品种的水泥对混凝土的需水量是不 一样的。因此可以认为，在满足指定强度和塌落度的条件下，混凝土发热量较小，水 泥就越适用。 应当指出，降低混凝土发热量的途径，除了选用低热或中热水泥外，还应在满足 设计标号和塌落度的条件下，尽可能减少水泥用量，采用较小的水灰比和较低的浇筑 温度等措施1 2 “。 2 2 2 传统的绝热温升理论 在确定混凝土结构早期温度场的计算中，绝热温升是混凝土的重要物理指标，它 影响到混凝土的水化热温升、最高温度、基础温差和内外温差。 目前采用的混凝土绝热温升计算公式有以下几种： 目( r l = e o o e ) ( 2 2 1 ) e ( r ) = 岛r ( n + r ) ( 2 2 2 ) 目( r ) = 岛( 1 一e 一) ( 2 2 - 3 ) 其中：r 为龄期，岛为最终绝热温升，m 、 、日、6 等为常数。一般后两式与实验 9 第二蕈溉凝土秘料的特性 资料符台较好。 影响混凝土绝热添开的因素包括水泥品稀、水泥餍篷、渴合材料品种、用爨和浇 筑温度。混凝士绝热温升最好幽实验测定，在缺乏直接测定的爨料时，可根据水泥水 化蒸倍算。 水泥品静对绝热湛升的影响主要是出于水泥矿物成分的不阉。水泥越细，发热速 率越快，但水混细度不影响最终发热量。掺搬混合材料对混凝土绝热温升有重要影响。 2 2 3 缝热运拜藜攘鍪 大体积混凝弱高骤度混凝的广泛侵瑁，以及疆凝土结构中温度裂缝的产生， 往工程技术人员越来越关注早期混凝的热学稻力学往旗，以便能够遘步预测混凝 土结构的温度场、应力场和温度裂缝。 混凝土绝热漱升具裔下列特性 2 4 j ：i 温度上升速率依赖于混凝土龄期，早期上升 速率大，后期上升速率逐渐减小，最终趋于零。2 。温度炎亿速窭强烈依赖于混凝温 度，混凝温度愈高，濑度上升速率越犬，且二者之间的关系怒非线 生的。3 温度上 丹速率与水泥水化反应的累积完成程度谢关，它不但与浅时的濑度有关，还与过去的 溢度及所经历时间的长短有关。4 东泥静承优反应是一个不可遒的过程，因此瀛凝土 绝热混嚣是单调递增的。5 当混凝土温艘发生突变时，水泥水化反应速率也发生突变， 豳既滚凝土绝热溢于 豹上升速度也随之发生突交。 传统女绝热濑丹的表达式只考虑了溅凝土龄期的影响，页没肯考虑混凝温度和 水化反应完成稷鹰等困索的影响，使得计算的温度场不能完全反映实际惰况。例如， 混凝主内部的漏度较高、水泥水化反应较快，混凝土绝热温升上升较抉；丽表霞温度 较低，灞凝绝热温升上升较僚，现有的计算方法忽略了这个西綮，使褥算出盼内外 温差编小：目前瀛凝土绝热温升公式多是根据初始养护溺度1 5 2 0 的试验资料整理 出来兹，如实际滢凝土浇筑温魔离子1 5 2 0 时，绝热漩升上嚣较浃，实际酶混凝 水化热潺丹将高于计算簸；反之，当浇筑温度低于1 5 2 0 时。实际的水化热温升将 低于讦薜篷。 。 自从2 0 世纪7 0 年饯采用a r r e n h i u s 定律获褥等效时间模型以来，经过 b r e i t e n b u c h e f ( t 9 8 0 ) 、j o n a s s o n ( 1 9 8 4 ) 、l a u b e ( 1 9 9 0 、w a n g ( 1 9 9 4 3 、b a z a n t 、张 子明等发展，已经比较完善，且应用良好。张子明提出了基于等效时间的混凝土绝热 温升模型j j ： ， 龇) = 惫 ( 2 - 2 4 ) 式牛：屯相对于参考温度的等效时闯，气一一最终绝热温辩，m 一一常数。 臻 肖志乔硕七学位论文2 0 0 4 年3 月 朱伯芳在大量实验的基础上，也进行了绝热温升新模型的研究，并取得了较大成 就。并于2 0 0 3 年提出了绝热温升的增量型的计算模型【2 4 】： 瓦d o = 喜彤n 吖l 川啦) o o ( 2 2 5 ) 式中：_ 、p ，、q ，、是计算参数。该模型不仅考虑凝期对绝热温升的影响，还考虑 ， 混凝土温度和水化反应完成程度等因素的影响。 2 3 混凝土湿度特性 混凝土的湿度变化如同温度变化一样，水分子从湿度高的地方向湿度低的地方扩 散。浇筑初期，由于混凝土含水率较高，混凝土中的水分会向空气中扩散，混凝土的 水分蒸发、干燥的过程，总是由表及里，逐步延伸的。当混凝土中的水和周围的空气 处于某一相对平衡状态时，混凝土湿度就达到稳定状态，如果周围介质空气的状态发 生变化，如湿度降低或温度升高，混凝土就会发生干燥收缩，其湿度就降低：反之就 吸湿。干燥过程与吸湿过程，对同一相对湿度混凝土含水量是不同的，吸湿过程混凝 土含水量小，干燥过程含水量大1 2 0 】。 影响混凝土湿度特性的因素主要有水泥品种、混合材料、骨料、混凝土配合比、 外加剂、介质温度与相对湿度、养护条件等。 一般说来，混凝土的水泥含量是影响干缩的主要因素之一，含量多混凝土干缩变 形就大，反之则较小。另外，混凝土周围大气温度和湿度的变化也是影响混凝土于缩 的主要因素之一，空气温度越高、湿度越低混凝土的干缩就越大，反之则小吼目前 就混凝土干燥收缩变形的机理主要有以下几种理论1 3 】： 表面张力理论。干缩是水泥胶凝分子问的表面张力结果，是表面自由能的产 物。张力随着水分子被吸收而减小，但当水分子消失时，胶凝分子间的应力增加，变 形趋于收缩。 毛细管张力理论。干燥收缩过程与毛细管中水的弯液面有关，当毛细管水蒸 发时混凝土处于不断增强的收缩状态，导致体积缩小。 劈张力理论。认为混凝土开始干燥时所损失的自由水并不引起混凝土的收缩 变形，干燥收缩的主要原因是混凝土中吸附水的消失。因为当水泥浆中胶凝质点闻的 距离小于1 0 个水分子的尺度时，则吸附在其间的水分子就会产生一种劈张力来平衡 胶凝质点间的分子引力，而当这些吸附水消失时，这种劈张力也随之消失，造成混凝 土体积收缩。 篓三璧堡型圭型墼塑丝丝 ， 层间水理论。认为混凝土硅酸盐材料熄一种层状结构材料，滕闽水的变化是 其体积变纯懿童三要琢颡。收缩梳理还裔其袍解释，僵怒蠢阀题的复杂瞧，倘缺乏一种 公认的学说。 2 4 混凝土力学性能和变形特性 2 4 1 混凝的主要力学指标 混凝土的力学性能主要包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、极限拉伸、徐变度 粒鑫生体积交影等。簌茨立裂缝魏露煮分撰，撬拉强震代表撬裂缝力，瞧渥瘦裂缝是 变形控制，所以其直接抗裂指标应该怒极限挝伸值。弹性模量代表应力与应变关系， 裁防止袈缝褒点寒看，弹牲模豢越小越好。鸯生俸积变形主要敬决于东淀孛熬矿撂成 份，不同工程出于选用水泥不同，自生体积变形值有磁有负，正时表示体积膨胀，在 浇筑块中产生压应力，蠢裂于爨裂；受瓣表示然积牧缀，产生控应力，对臻止裂缝不 利。 2 4 1 1 抗歪强浚 混凝土强度是由水泥和水起水化作用，使水泥浆凝固硬化而产生的。因此，水泥 标号摹羹农获院惫决定灞凝强瘦鼹主要瓣素。对于同赫耱翡东淀来浚，承混拣号越 高，混凝土强度越高；水灰比越小，混凝土强度越高。 渴凝土在醺化遥稔中，强度的蓿长与龄期帮养护方法有穰丈的关系。一般来说， 混凝土在适当瀛度和充分湿度条件下，其抗压强度随龄期而增长，随养护条件而不同。 在正常莽护条停下，灞凝静溅度蒋穗龄期的增龆两增长，最裙7 1 4 d 内强度增长 较快，2 8 d 以厝增长较慢，但龄期延续很久其强度仍有所增长【9 0 】。 混凝抗聪强度麓着龄期f 而增长，可表示翡下h 醒 r ：p ) = r 【l + m l n ( r 2 8 ) 】 ( 2 4 1 ) 式中：震。0 ) 一龄期f 的混凝土抗压强度； r m 一- - 2 8 d 龄期混凝土抗压强度 r 一一龄期； 挪一一系数，与东渥晶萃孛有关 2 4 1 2 抗拉强度 肖玺乔硕士学位论文2 0 0 4 年3 月 同抗压强度相比，混凝土的抗拉强度较低。它与同龄期抗压强度的关系随不同条 件而变化，其变化范围大约是1 1 0 1 1 6 ，也就是说混凝土的抗拉强度只有抗压强度 的1 1 0 1 16 。它随着混凝土抗压强度的增长而增长。 2 4 1 3 弹性模量 弹性模量是表示材料弹性性质的系数。混凝土虽然不是完全弹性体，应力与应变 为曲线关系，但在荷载较小的初期阶段，即所作用的荷载在比例极限范围内，仍近似 直线。混凝土的弹性模量随着混凝土抗压强度和容重的增加而加大，也就是说混凝土 的弹性模量随着混凝土浇筑后龄期的增加而增加。 2 4 1 4 极限拉伸 混凝土的抗裂能力，取决于混凝土的极限拉伸。混凝土极限拉伸是混凝土轴向受 拉断裂时的应变值。由于混凝土的抗拉强度远低于抗压强度，所以混凝土的极限拉伸 远小于其极限压缩变形，这是混凝土产生裂缝的重要原因。 混凝土的徐变将在下面介绍。 2 4 2 混凝土的变形特性 混凝土的变形有很多种，主要有：混凝土拌合物初期的凝缩变形：由于混凝土内 部物理化学反应引起的自生体积变形：由于湿度变化引起的干缩变形：混凝土浸泡后 的湿胀变形：由于温度变化产生的温度变形；由于炭化作用引起的炭化收缩变形。另 外，还有在短期外荷载作用下的弹性变形、塑性变形、假塑性变形及极限拉伸变形； 在长期外荷载作用下的徐变变形。下面简要介绍几种变形。 2 4 2 1 凝缩变形 混凝土拌合物在浇筑之后，由于其中固体颗粒的沉降而逐步密实。水泥开始水化， 在凝胶粒子间内聚力的作用下，一部分水从混凝土中析出，混凝士逐渐凝聚，并产生 凝聚性体积收缩，这就是混凝土的凝缩变形。+ 凝缩变形一般发生在混凝土拌合后3 1 2 小时以内，即在其终凝前比较明显。因为这种凝缩发生时混凝土仍处于塑性状态， 故有人把这种凝缩称为塑性收缩。 凝缩与混凝土的材料组成、成型振捣条件及温度等因素有关。水灰比大、水泥用 量低者凝缩大；用高频振捣器振捣者凝缩小；温度低时凝缩大，且凝缩延续时间长。 另外，混凝土表面因蒸发失水或因基底吸水引起的失水均能增加混凝土的凝缩，并且 可能导致混凝土表面丌裂。 由于混凝土浇筑后不久，从凝胶体中析出的晶体不多，所以凝胶体粒子间主要是 物理性接触，塑性变形能力较大。因此，只要加强初期养护，不使混凝土表面干燥， 第二章混凝十材科的特性 一般不会开裂【1 ”。 2 4 2 2 自生体积变形 混凝土在恒温绝湿条件下，由于胶凝材料的水化作用引起的体积变形称为自生体 积变形。它主要取决于水泥品种、水泥用量及掺用混合材料的种类。 自生体积变形有的是收缩型，有的是膨胀型，也有先缩后胀或先胀后缩的。一般 说来，普通水泥混凝土的自生体积变形是收缩，矿渣水泥混凝土的自生体积变形为膨 胀。自生体积变形还与粉煤灰掺量有关。一般收缩型自生体积变形随粉煤灰掺量的增 加而减小。 常态混凝土的自生体积变形一般在( 一1 0 0 + 1 0 0 ) 1 0 。6 范围内，约相当于0 1 0 的温度变化。近年来随着膨胀水泥混凝土的研究和发展，人们逐渐认识到如能调 节水泥的矿物成份，使混凝土产生膨胀性自生体积变形，可以补偿混凝土因干缩和温 降而产生的收缩变形，将有可能改善混凝土的抗裂性能f 1 9 】。 膨胀型自尘体积变形对混凝土结构在降温过程中的拉应力能产生一定的补偿作 用。由于自生体积变形在宏观上是均匀的，所以对于由内外温差引起的温度应力是没 有补偿作用的，只对由外部约束作用而产生的温度应力具有一定的补偿作用。 在早凝期，混凝土的弹性模量，j 、而徐变度大，因此发生在早凝期的自生体积变形 所引起的约束应力较小3 1 。 2 4 2 3 干缩变形 置于不饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的体积变形，称为干燥收缩变形， 简称干缩变形。影响混凝土干缩变形的因素很多。主要有水泥品种及甩量、掺合料、 骨料含量、水灰比、周围环境的湿度、温度及结构尺寸等。硅酸盐水泥混凝土的干缩 大，而矿渣水泥和粉煤灰水泥混凝土的干缩较小。 一般税来，混凝土的水泥含量是影响干缩的主要因素之一，浆体含量多，混凝土 的f 缩就较大，反之