温度荷载对向家坝碾压混凝土纵向应力的影响

温度荷载对向家坝碾压混凝土纵向应力的影响

1混凝土的表面保护低层混凝土表面开裂已成为工程领域的研究热点。混凝土表面的高度集中是低层次混凝土开裂的主要原因之一。当寒潮袭击时,混凝土表面温度受气温影响而相应降低,使表面与内部产生巨大温差,导致出现较大的拉应力而开裂。很多学者在混凝土表面保护这方面做过研究。另外,高龄期混凝土在气温日变幅和气温年变幅较显著时,如果没有表面保温措施,表面温差应力仍可超出容许范围而导致开裂。目前已有学者建议对混凝土坝进行永久保温,防止出现运行期裂缝。混凝土坝在施工期,由于混凝土强度发展不充分,一旦气温突变,很容易出现表面裂缝,因此,本文以向家坝工程纵向围堰浇筑某时段的浇筑块为研究对象,就三种寒潮袭击模式,比较了不同拆模龄期下,有无表面保护措施的混凝土浇筑块的温度应力状态,结合混凝土强度增长曲线,给出了合理的保温材料与相应的表面保护方式。同时,研究气温日变幅和气温年变幅下,比较有无表面保护措施的高龄期混凝土浇筑块的温度应力状态,建议进行长期保温并给出了相应的保温材料。2基本信息2.1代纵向围堰体向家坝水电站,位于四川省和云南省的交界处,是金沙江下游梯级开发的最后一级电站,工程开发以发电为主。向家坝工程的二期纵向围堰堰体包括上游段、下游段,冲沙孔坝段兼作二期纵堰使用。二期纵堰上游段最大坝段高达87.5m,最大坝段长38.0m;纵堰下游段最大坝段高31.5m,最大坝段长40.8m;冲沙孔坝段最大坝段高120.5m,最大坝段长149.0m,均属大体积混凝土。堰体在施工期承受着不同季节水荷载与温度荷载的作用,容易产生表面裂缝。2.2龄期及节点度参考规范规定,假设低龄期混凝土抗裂安全系数为1.1。根据委托方提供的实验资料,混凝土劈拉强度:7d龄期为0.92MPa;28d为1.49MPa。通过曲线拟合得出围堰段碾压混凝土(C9015W6三级配)的强度增长曲线为下式:fτ(τ)=1.88τ/(7.3+τ)(1)当寒潮期间混凝土表面应力超过当时混凝土的容许抗裂能力,认为混凝土表面需要保护。2.3高发泡聚乙烯卷材等效放热系数根据委托方提供的材料,保温材料选用1cm厚的泡沫卷材和2cm厚的高发泡聚乙烯卷材。混凝土表面与保温层间的放热系数为:β=11/β0+∑hi/λik1k2(2)β=11/β0+∑hi/λik1k2(2)式中:λi—保温材料导热系数,泡沫卷材为3.01kJ/(m2,d·℃),高发泡聚乙烯卷材为1.64kJ/(m2,d·℃);β0—保温层外表面与空气间放热系数,取700kJ/(m2,d·℃);hi—保温层厚度;k1—风速修正系数,取1.6;k2—潮湿程度修正系数,潮湿材料取3～5,干燥材料取1。由此可以算出:1cm厚泡沫卷材的等效放热系数为285kJ/(m2,d·℃),2cm的高发泡聚乙烯卷材的等效放热系数为110.5kJ/(m2,d·℃)。混凝土表面裸露时,其表面放热系数为β=1500kJ/(m2,d·℃)。3冷潮袭击下的表面保护3.1不同模式,连续多次在半干上保温根据向家坝堰址区气象资料,仿真计算时,选取三种典型寒潮模式及三种保温方式:寒潮模式1:3d降温12.4℃,然后3d恢复正常,连续计算6d。寒潮模式2:2d降温12.4℃,然后2d恢复正常,连续计算4d。寒潮模式3:4d降温12.4℃,然后3d恢复正常,连续计算7d。保温方式1:无表面保温材料。保温方式2:表面覆盖1cm泡沫卷材。保温方式3:表面覆盖2cm聚乙烯板材。3.2太阳辐射对混凝土抗温降的影响选取3个浇筑块,浇筑块间歇7d,3月中旬开始浇筑,混凝土为碾压混凝土(C9015W6三级配),不通冷却水。以五临空面浇筑块为研究对象(见图1),分别选取该块混凝土拆模龄期为3、7、14d时,寒潮来临,对有、无表面保温情况下温度应力进行比较。该块4月1日浇筑,为自然浇筑。太阳辐射的影响等效为3℃的大气温升。经仿真计算,结果见表1和图2。从表1和图2可知:(1)无论是表面裸露还是表面保护,寒潮来临后,混凝土都会产生不同程度的温降,但是,表面裸露时,表面等效放热系数大,热量损失更急剧,采用保温材料进行表面保温后,可以有效的降低气温骤降对表面的影响,降低混凝土表面温差应力。(2)相同龄期和保温措施下,寒潮作用时间越长,产生的温度应力越大。(3)根据表1各工况的计算结果,11和工况12的计算结果,在混凝土14d龄期遭受寒潮袭击,与相对龄期为3d和7d混凝土遭受寒潮比较,顺河向最大拉应力虽然增大,但混凝土的抗拉强度也随龄期增长而增加,安全系数可达到要求。由于15～20d后混凝土的绝热温升基本稳定,混凝土内部温度也逐渐稳定,因此寒潮对混凝土的影响随其龄期的增长而不再增加。4材料和外墙材料根据向家坝堰址区气温统计资料,选取气温日变幅较不利条件,确定气温日变幅为16.5℃,即一天之内,气温降低16.5℃。计算模型、材料参数、施工参数等与寒潮来临计算情况相同,保温材料采用寒潮袭击下建议的保温材料,为2cm厚聚乙烯板材。当混凝土浇筑30d后,遭遇气温日变幅的影响。经温度应力仿真计算后,特征应力结果如下表2所示。5不同表面保护下堰体混凝土缺陷根据向家坝堰址区气温统计资料,堰址区气温年变幅为18.6℃。最高气温是27.7℃,发生在7月份,最低气温为9.1℃发生在1月份。在计算模型、材料参数、施工参数等与寒潮来临计算情况均相同,并在寒潮袭击下建议采用2cm厚聚乙烯板材作保温材料时,经温度应力仿真计算,其计算结果如图3及表3。从图3可知,有、无表面保护措施下,在气温年变幅影响下,堰体混凝土出现的最大拉应力值大小基本一致,出现在表面,出现时刻都在冬季,但是,无表面保护措施情况下,最大拉应力出现在顶面与侧面交界中部,靠近表面,表面最大拉应力点出现在顶面中心,且顶面和侧面中部都出现高应力区域;有表面保护措施下,最大拉应力出现时刻有滞后,最大拉应力出现在顶面和侧面交界的中部,高应力仅局限于此区域内。从表3可知,经历年气温变幅计算,在无表面保护措施下,其单面寒潮点的最大温度变幅为17.2℃,最大拉应力为1.29MPa;在有表面保护措施下(2cm厚聚乙烯板复盖),单面寒潮点的最大温度变幅为12.5℃,最大拉应力为0.88MPa。可见表面保护措施可大大减小寒潮对浇筑块顶面的影响。6混凝土材料的选择(1)当气温骤降时,由于早期混凝土的强度发展不充分,表面会出现较大温差裂缝,采用保温材料对混凝土进行表面保护,可以有效地缓解混凝土表面温差应力。(2)根据计算结果,当龄期为3d时遭遇寒潮模式1,采用1cm泡沫卷材作为保温材料,出现的最大温差应力与容许应力的比值为0.94,小于抗裂安全系数1.1,保温效果达不到要求,而采用2cm厚聚乙烯板材作为保温材料时,最大拉应力都在容许范围之内,因此,建议采用2cm厚聚乙烯板材作为保温材料,对施工期低龄期混凝土进行保温。(3)在混凝土28d龄期后,虽然强度发展比较充分,但在气温日变幅较大时,混凝土表面仍然可能出现裂缝。因此,建议高龄期混凝土也必须进行表面保护,以抵御较大的日变幅气温。(4)由于将2cm厚聚乙烯板作为混凝土表面的保温材料,可以有效地降低气温日变幅的影响。因此,建议采用2cm厚聚乙烯板材,对高龄期混凝土进行表面保护。(5)在气温年变幅影响下,虽然在没有采取表面保护措施的情况下,其混凝土浇筑块的最大温差应力在容许范围之内,但在浇筑拱的边角、侧面和顶面都出现了大面积的高应力区域,且影