多次寒潮冷擊下薄壁閘墩施工期力學(xué)特性分析

張社榮，王瀏劉，于 茂

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072）

水工混凝土結(jié)構(gòu)在施工期或運行期內(nèi)易出現(xiàn)裂縫，如水閘閘墩易在表面產(chǎn)生棗弧形裂縫。對于水工混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的原因，國內(nèi)學(xué)者主要論證了溫度或混凝土收縮等對混凝土應(yīng)力狀態(tài)的影響，如朱岳明等[1]結(jié)合龍灘重力壩進(jìn)行了長間歇倉面寒潮冷擊下的溫度應(yīng)力計算，表明寒潮冷擊易造成壩體劈頭縫；張子明等[2]研究了氣溫驟降引起大體積混凝土溫度變化和溫度應(yīng)力的計算方法，分析了氣溫驟降引起的溫度及溫度應(yīng)力變化規(guī)律；吉順文等[3]采用材料力學(xué)和有限元數(shù)值仿真計算法，對上猶江重力壩溢流壩段閘墩上的豎斜向和水平向裂縫的出現(xiàn)進(jìn)行了研究，結(jié)論表明施工期溫度應(yīng)力和運行期寒潮冷擊與夏季低溫庫水泄洪冷擊是其主因。故本文研究多次寒潮冷擊下的水閘閘墩混凝土結(jié)構(gòu)的溫度及應(yīng)力變化規(guī)律，為水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計提供相應(yīng)的依據(jù)。

1 計算模型

某水閘為2級建筑物，防潮閘采用深孔與淺孔相結(jié)合布置，深孔底板高程-6.0 m，淺孔底板高程-1.0 m。防潮閘單孔凈寬15 m，經(jīng)過流能力計算確定中間8個深孔，兩側(cè)各6個淺孔，共計20孔。閘室結(jié)構(gòu)為筏式整體平底板，兩孔一聯(lián)，中墩厚2.0 m，縫墩厚1.5 m。閘室總寬347 m，其中深孔寬137 m，淺孔寬105 m。順河向深孔長36.0 m，淺孔長29.0 m。閘墩、底板均為C25F150混凝土。施工時，底板混凝土澆筑5天后開始澆筑閘墩。

考慮工程的結(jié)構(gòu)形式和底板的布置特點以及結(jié)構(gòu)的對稱性，取典型的閘墩和底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，計算區(qū)域如圖1所示。地基深度取30 m，上下游各取15 m，且全部采用六面體單元進(jìn)行建模，共劃分單元79320個，節(jié)點88712個。取閘墩與底板交接面的上游端頭為原點，整體坐標(biāo)軸選取順?biāo)鞣较驗閤軸，垂直水流方向 （厚度方向）為y軸，豎向為z軸。計算中所采用的材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 計算區(qū)域及結(jié)構(gòu)尺寸（高程單位:m）

基巖初始溫度取6.0℃，閘墩、底板混凝土的澆筑溫度取6.5℃。混凝土表面裸露 （未保護(hù)），相應(yīng)的混凝土表面放熱系數(shù)β取83.72 kJ/(m2·h·℃)，混凝土的徐變度為

式中，τ為加載齡期，d；（t-τ）是持載時間，d。

根據(jù)水閘附近氣象站觀測資料，各月的平均氣溫及年平均氣溫見表2。為便于計算，對多年月平均氣溫進(jìn)行擬合，得到一條余弦曲線:

式中，τ為時間，月；Ta為氣溫，℃。

2 寒潮冷擊下薄壁閘墩的溫度場與應(yīng)力場分析

在施工期內(nèi)，根據(jù)寒潮出現(xiàn)時間、連續(xù)出現(xiàn)次數(shù)，共擬定模擬8次寒潮冷擊，如圖2所示。其中，閘墩早期遭遇3次寒潮，分別發(fā)生在澆筑后的第9、18、41天，氣溫分別驟降18、20、18℃；后期連續(xù)遭遇5次寒潮，分別發(fā)生在澆筑后的第105、110、114、119、122天，氣溫分別驟降 11、20、15、21、17.5℃。

圖2 環(huán)境氣溫變化過程

閘墩內(nèi)外混凝土溫度變化的差異是影響閘墩表面應(yīng)力水平的關(guān)鍵因素，分析這一變化過程有利于對閘墩表面的應(yīng)力變化做出判斷。圖3反映了寒潮冷擊下閘墩內(nèi)部路徑及表面路徑上不同代表節(jié)點的溫度隨時間的變化過程。閘墩冷擊時，閘墩混凝土內(nèi)部及外部的溫度均有不同幅值的降低。在早期，混凝土表面點的溫度降幅較大，降幅最大位置在閘墩上部的表面角點處，為18.2℃，該處混凝土兩面臨空，散熱快；閘墩頂部表面點處降幅次之，為14.4℃，此處混凝土單面散熱，且與下部混凝土接觸面積小，內(nèi)部混凝土傳熱量較低；閘墩側(cè)面的表面點的降幅最低，為12.4℃，此處混凝土單面散熱，且與內(nèi)部混凝土接觸面積大，內(nèi)部混凝土傳熱量較大。在后期，閘墩表面點的溫度降幅最大值仍位于閘墩頂部的角點處，最大溫度降幅為15.9℃。寒潮冷擊下，混凝土內(nèi)部的溫度波動幅度比較小，閘墩中部和底部混凝土內(nèi)部點的溫度最大波動幅度分別為2.9、2.7℃。在施工早期，環(huán)境氣溫處于降溫階段，混凝土內(nèi)部溫度高于表面溫度；后期，環(huán)境溫度處于升溫過程，混凝土內(nèi)部溫度低于表面溫度。

表1 混凝土及地基物理力學(xué)參數(shù)

表2 全年氣溫特征℃

圖3 多次寒潮冷擊下閘墩溫度場變化過程

早期寒潮與后期寒潮冷擊下，閘墩混凝土內(nèi)外溫差也表現(xiàn)出不同的波動特點。根據(jù)圖3a可知，早期寒潮冷擊造成的閘墩混凝土的內(nèi)外溫差更大，最大內(nèi)外溫差可達(dá)到18℃左右，出現(xiàn)在第1次寒潮發(fā)生時。顯然，因為混凝土早期水化熱產(chǎn)生速率大，處于較快升溫階段，雖然第1次寒潮來臨時氣溫驟降幅度 （18℃）小于第2次驟降幅度 （20℃），但寒潮發(fā)生越早，閘墩內(nèi)外溫差越大 （兩次寒潮下最大溫差分別為18、16℃），溫度梯度越大。在后期，雖然有連續(xù)5次的寒潮連續(xù)冷擊閘墩表面，但閘墩內(nèi)外的溫差較前期仍有較大降幅，5次寒潮冷擊過程中，最大氣溫驟降為21℃，但閘墩內(nèi)外溫差最大為9℃左右，其主要原因是該階段內(nèi)大氣升溫，內(nèi)部混凝土溫度低于表面溫度，寒潮冷擊的效應(yīng)部分被抵消；且后期閘墩混凝土的水化熱速率已經(jīng)很小了，內(nèi)部混凝土升溫不明顯，也會導(dǎo)致閘墩內(nèi)外溫差不大，閘墩內(nèi)外溫度梯降較前期也有明顯減小。

多次寒潮冷擊下，閘墩典型位置處的應(yīng)力變化過程如圖4所示。在早期，雖然寒潮冷擊引起的溫度波動很大，但因混凝土彈性模量還不是很大，再加上混凝土徐變等影響，閘墩表面應(yīng)力的波動幅度并不大，內(nèi)部混凝土的應(yīng)力波動更小。前期混凝土的應(yīng)力波動幅值在0.1 MPa以內(nèi)。在后期，雖然寒潮冷擊時混凝土的溫度波動幅值不大，但此時混凝土的彈性模量已經(jīng)很大。因此，寒潮引發(fā)的應(yīng)力波動幅值反而更大，且表面點的波動幅值大于內(nèi)部點。閘墩下部與底板交接的角點處的混凝土的應(yīng)力幅值最大，最大拉應(yīng)力可以達(dá)到0.7 MPa以上，雖然尚未達(dá)到混凝土的抗拉強度，但較大的應(yīng)力波動增大了混凝土的開裂可能性；波動幅值其次為閘墩中部的表面點、閘墩上部的角點及閘墩上部中心點，冷擊下拉應(yīng)力在0.5 MPa以內(nèi)；閘墩內(nèi)部混凝土應(yīng)力也有一定的波動，但波動較小。

3 結(jié) 論

圖4 不同特性寒潮冷擊下閘墩受力變化過程

本文建立水閘閘墩受多次寒潮冷擊的模型，通過設(shè)定寒潮的出現(xiàn)時間和連續(xù)發(fā)生次數(shù)，分別從溫度場與應(yīng)力場等角度分析閘墩薄壁混凝土結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度、混凝土水化熱、溫控措施、混凝土徐變及氣溫驟降等因素影響下，施工早期與后期寒潮及連續(xù)寒潮冷擊下閘墩結(jié)構(gòu)的真實受力特性。研究表明，在早期寒潮冷擊下，閘墩混凝土溫度場波動大，但應(yīng)力波動小；在后期多次寒潮冷擊下，閘墩的溫度場波動較小，但應(yīng)力場波動較大，且在短期內(nèi)應(yīng)力幅值頻繁波動，開裂可能性大大提高。閘墩應(yīng)力波動較大位置主要位于閘墩與底板交接的拐角處，寒潮冷擊下，拐角處兩側(cè)的混凝土均因溫度驟降而產(chǎn)生收縮變形，且此處幾何突變較大，易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。在大壩及泄洪建筑物中，有很多類似于水閘閘墩的薄壁邊墻結(jié)構(gòu)在施工期遭遇寒潮，其溫度與受力狀態(tài)具有類似的變化規(guī)律，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)予以考慮寒潮的影響。

［1］朱岳明，賀金仁，石青春.龍灘大壩倉面長間歇和寒潮冷擊的溫控防裂分析［J］.水力發(fā)電，2003，29（5）:6-9.

［2］張子明,王嘉航,姜冬菊,等.氣溫驟降時大體積混凝土的溫度應(yīng)力計算［J］.河海大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版，2003，31（1）:11-15.

［3］吉順文，朱岳明，強晟，等.上猶江溢流壩段閘墩裂縫成因和結(jié)構(gòu)安全影響研究［J］.水利學(xué)報，2007（S1） :205-209.