预应力坞式闸室大体积混凝土施工水化热分析

1、预应力坞式闸室大体积混凝土施工水化热分析长沙理工大学Changsha University of Science & Technology姓名：徐大彬专业：港口、海岸与近海工程学号：141040204682目录 五.结论及参考文献 四.与实测结果对比分析 三.计算结果及数据分析 二.模型建立 一.问题的提出长沙理工大学Changsha University of Science & Technology长沙理工大学Changsha University of Science & Technology一、问题的提出4长沙理工大学Changsha University of Science & T

2、echnology1.1 相关知识坞式闸室：又称“U”型闸室，由闸墙和底板连接而成，整体性好，防渗性强，地基反力分布比较均匀，对地基承载力要求较低 。适用于水头较大 、闸墙较高 、对抗震要求较高以及软弱地基和复杂地基的情况。大源渡二线大源渡二线船闸建设的船闸建设的驱动因素驱动因素大体积混凝土：我国大体积混凝土施工规范GB50496-2009里规定：混凝土结构实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。大体积混凝土结构广泛应用于水利水电工程、港航建筑物、核反应堆、高层建筑基础、桥梁等工程建设中。5长沙

3、理工大学Changsha University of Science & Technology1.2问题引出 美国混凝土学会（ACI）规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂。” 大体积混凝土结构在施工期，由于水泥水化热的产生，结构的内、外部温差较大，使得混凝土体积膨胀或收缩变形，而混凝土抗拉强度低，极限拉伸变形小，当拉应力超过混凝土的抗拉强度或拉应变超过混凝土的极限拉应变时，混凝土结构就会出现裂缝。裂缝一旦形成以后，直接影响着水工建筑物的受力条件、抗渗性、耐腐蚀性、稳定性和耐久性等。长沙理工大学Changsha Unive

4、rsity of Science & Technology1.2问题引出 以安徽颖上船闸为例，闸室底板厚度为2.22.5m，闸室侧墙最大厚度也为2.5m，闸室节段长16.2m，属大体积混凝土结构。闸室结构断面图7长沙理工大学Changsha University of Science & Technology二、模型建立8长沙理工大学Changsha University of Science & Technology模型建立 取闸室结构的一半进行对称建模，在闸室底板的中面上施加对称约束。同时考虑到底板以下土体对浇筑混凝土的水化热散热效果的影响，底板以下取厚度5m的土体参与计算。采用MIDAS

5、软件对颖上船闸大体积混凝土的温度场和温度应力进行仿真分析。材料和热特性数据长沙理工大学Changsha University of Science & Technology 将整个闸室结构施工过程水化热分析计算分为3个阶段进行。计算过程考虑到混凝土在凝固过程中其强度和弹性模量的变化。施工过程施工过程模型建立水化热计算模型10长沙理工大学Changsha University of Science & Technology三、计算结果及数据分析长沙理工大学Changsha University of Science & Technology3.1 工况一：闸室侧墙浇筑至底板以上2.3m 水化热产

6、生的温度随时间分布情况图： 工况一10h温度分布 工况一30h温度分布 工况一80h温度分布长沙理工大学Changsha University of Science & Technology3.1 工况一：闸室侧墙浇筑至底板以上2.3m 水化热产生的温度随时间分布情况图： 工况一170h温度分布 从上图可知，浇筑完10h后，闸室底板和已浇筑的部分侧墙基本上整体上升温，混凝土温度最高为27.6；至浇筑完30h，已浇筑的混凝土表现出温差，最高温度为38.1 ，分布于底板的中心部分；到浇筑完80h和170h，底板中心温度升温较高，表面温度升高较慢，最高温度分别为49.9 和54.3 。长沙理工大学C

7、hangsha University of Science & Technology3.1 工况一：闸室侧墙浇筑至底板以上2.3m 水化热导致的温度应力产生的拉应力比（容许拉应力/拉应力）云图： 工况一10h拉应力比云图 工况一30h拉应力比云图 工况一80h拉应力比云图长沙理工大学Changsha University of Science & Technology3.1 工况一：闸室侧墙浇筑至底板以上2.3m 工况一170h拉应力比云图 拉应力比反映的是容许拉应力和实际拉应力的比值，即以上图所示小于1的区域为危险区域。浇筑完成10h和30h，混凝土拉应力比小于1的区域很少，而到了80h和1

8、70h，小于1的区域比较广，基本分布在混凝土的表面，这说明在混凝土浇筑80h后，混凝土表面的拉应力呈现大于其容许拉应力，特别是到了170h，侧墙的表面和底板的顶面，容易出现温度裂缝。 水化热导致的温度应力产生的拉应力比（容许拉应力/拉应力）云图：长沙理工大学Changsha University of Science & Technology3.2 工况二：闸室侧墙浇筑至高程22m 该阶段墙后填土仍没有回填，温度计温度应力计算不考虑墙后填土的限制。水化热产生的温度随时间分布情况图： 工况二10h温度分布 工况二400h温度分布 此阶段初期浇筑的侧墙温度随时间有所升高，但仍没有底板中心温度高；到

9、后期，由于侧墙与大气接触面较大，散热较快，侧墙的表面温度下降较快，侧墙内部温度下降较慢，造成了侧墙内部和表面产生温差，从而导致温度应力的产生。长沙理工大学Changsha University of Science & Technology3.2 工况二：闸室侧墙浇筑至高程22m水化热导致此阶段温度应力产生的拉应力比云图： 该阶段混凝土浇筑只有在浇筑完成80h闸室侧墙有局部的区域出现拉应力比小于1，而随着时间的推移，闸室侧墙的拉应力比向大于1的方向发展，即越来越安全。 工况二10h拉应力比云图 工况二400h拉应力比云图长沙理工大学Changsha University of Science

10、& Technology3.3 工况三：闸室侧墙浇筑完成 本阶段闸室侧墙浇筑完成，此阶段浇筑的混凝土方量很小，温度及温度应力计算不考虑墙后填土的限制。水化热产生的温度随时间分布情况图： 工况三120h温度分布 工况三750h温度分布长沙理工大学Changsha University of Science & Technology3.2 工况三：闸室侧墙浇筑至高程22m水化热导致此阶段温度应力产生的拉应力比云图： 因为此阶段浇筑的混凝土方量很小，混凝土浇筑产生的水化热较少，温度较低，并且构件厚度很薄，散热较快，内外温差较小，产生的应力很小，不易产生温度裂缝。 工况三720h拉应力比云图 工况三7

11、50h拉应力比云图长沙理工大学Changsha University of Science & Technology四、与实测结果对比分析长沙理工大学Changsha University of Science & Technology20 颖上船闸施工时，在底板布置了ae 5个温度监测点，闸墙布置了fj 5个温度监测点。温度监测点布置图 将三维水化热计算模型计算结果与现场实测温度进行比较分析，底板温度测点为上图所示c测点，闸墙温度测点为上图所示h测点。长沙理工大学Changsha University of Science & Technology21工况一闸室底板温度计算值与实测值比较工况

12、一闸室侧墙温度计算值与实测值比较长沙理工大学Changsha University of Science & Technology22三维计算模型得到的闸室底板中心点和闸墙中心点温度和三维计算模型得到的闸室底板中心点和闸墙中心点温度和实测值随时间变化趋势相同，温度计算值总体上比实测温度低，但差实测值随时间变化趋势相同，温度计算值总体上比实测温度低，但差异较小。通过温度计算值和实测值的比较同时也表明采用异较小。通过温度计算值和实测值的比较同时也表明采用MIDAS软件软件建立三维空间模型进行水化热分析得到的温度随时间变化情况能够反建立三维空间模型进行水化热分析得到的温度随时间变化情况能够反映闸室结

13、构实际施工过程由于水化热引起的温度变化情况。映闸室结构实际施工过程由于水化热引起的温度变化情况。长沙理工大学Changsha University of Science & Technology23从该图可知，只有在混凝土施工的第170230h混凝土的拉应力超过了混凝土的容许拉应力，也即在第一施工阶段中，混凝土浇筑后170230h温度产生的拉应力易大于混凝土此时的容许拉应力，容易产生温度裂缝。思考：文章不足之处在于，拉应力和容许拉应力随时间变化曲线主要是以数模分析得到，可考虑在原型上相应部位添加应变片，通过应变应力的本构关系来求得拉应力随时间变化曲线，并与数模分析结果互为对照，增强结论的说服力

14、。长沙理工大学Changsha University of Science & Technology五、结论及参考文献长沙理工大学Changsha University of Science & Technology 结论及参考文献结论及参考文献结论：结论：采用采用MIDAS软件水化热分析模块，建立闸室结构的三维空间模型进行水化软件水化热分析模块，建立闸室结构的三维空间模型进行水化热分析，并将计算结果与现场实测温度进行对比，结算结果与实测值变化趋势吻热分析，并将计算结果与现场实测温度进行对比，结算结果与实测值变化趋势吻合，数据差异较小，仿真计算方法能够反映实际工程的温度变化及分布情况：并合，数据差异较小，仿真计算方法能够反映实际工程的温度变化及分布情况：并通过拉应力比云图，可以直观地看出结构在施工过程中哪些区域容易产生温度裂通过拉应力比云图，可以直观地看出结构在施工过程中哪些区域容易产生温度裂缝，以及裂缝的开展方向。缝，以及裂缝的开展方向。 该计算结果已被应用于颖上船闸工程，为水工结构大体积混凝土施工现场进该计算结果已被应用于颖上船闸工程，为水工结构大体积混凝土施工现场进行温度控制提供了理论上的依