水工閘壩混凝土在凍融條件下應力分布探討

郝姣姣

(阜新市產業技術研究院，遼寧 阜新 123000)

0 前 言

水工閘壩混凝土的應力計算是其穩定性設計的重要指標，尤其是北方地區，凍融條件下水工閘壩混凝土應力影響的關鍵要素，需要對其應力影響進行分析和探討，從而提高其運行穩定和安全性[1]。近些年來，對于水工閘壩混凝土應力設計研究的成果較多[2-10]，但是對于其凍融影響的研究還較少，為提高水工閘壩在北方地區的運行穩定性，亟需對其凍融條件下的應力進行分析。為此結合應力理論計算模型，對其凍融條件下的水工閘壩應力分布進行探討，研究成果對于北方水工閘壩混凝土穩定施工設計具有參考意義。

1 應力分布計算模型

水工閘壩在凍融循環條件下其水平和縱向應力分布的計算方程分別為：

(1)

(2)

式中：Pj為水平應力，kN；Aj為應力面積，m2；Ac為應力擠壓面積，m2；γ為混凝土凍融條件下的斜向轉角，°。水工混凝土應力擠壓面積計算方程為：

AC=π(d'+6h)lsinβ

(3)

式中：d'為混凝土樁體寬度，m；l為樁體橫向間距，m；β為頂縫斜向角度，°。對水工閘壩橫向應力Pt進行計算：

(4)

式中：Pt為橫向應力，kN)；α為轉角系數。模型對其轉角系數和頂縫斜向角度計算方程分別為：

(5)

(6)

式中：fcu為水工閘壩抗壓強度，kN)；fcu'為凍融影響下的抗壓強度，kN；φ為剛面轉角，°。 對水工閘壩穩定性系數進行計算：

(7)

式中：fc為折減系數；k1-k4分別為計算系數；J2為計算橫向應力，kN；I1縱向應力，kN。

2 實例分析

2.1 工程概況

以遼河某閘壩工程為具體實例，對該水工閘壩混凝土凍融循環影響下的應力分布進行計算，該水工閘壩為鋼混結構，其地質參數如表1所示。文章結合該水工混凝土閘壩的地質參數，對其凍融影響下的應力分布進行計算分析。

表1 水工閘壩工程地質參數

2.2 應力計算誤差分析

結合應力計算模型，對水工閘壩不同鋼混直徑下凍融循環次數影響的應力進行計算，計算結果如表2所示。

表2 不同鋼混直徑下水工閘壩混凝土應力計算結果

從分析結果可看出，水工閘壩的鋼混直徑對其應力影響較大，應力隨著凍融次數的增加而遞增較為明顯。受到水工閘壩應力面積的影響，不同直徑下混凝土應力變化當凍融循環次數介于16-25次時較為穩定，這主要受到水工閘壩摩擦阻力加大的影響，使得其應力變化有所減小。計算應力和測定的應力之間計算誤差總體低于20%，相關系數可達到0.65以上，具有較好的相關度，且隨著凍融循環次數的增加，其應力總體呈現指數變化。

2.3 凍融影響下的水工閘壩應力分布結果

對不同深度凍融循環次數影響下的水工閘壩應力分布進行計算，計算結果如表3所示。

表3 凍融影響下的水工閘壩應力分布計算結果

從凍融影響下的水工閘壩應力分布計算結果可知，隨著深度的遞增各凍融次數下的應力都有所增加，不同深度的應力分布當凍融次數達到25次以后逐步趨于穩定變化，在初始階段，凍融次數增加其應力分布變化較大，而當凍融次數增加到一定次數后，水工閘壩的抗剪應力強度達到最大值，使得其應力變化減小，逐步趨于穩定變化。水工閘壩混凝土應力分布隨著凍融循環次數增加呈現S形變化，受凍融循環次數增加其閘壩體混凝土之間的黏聚力有所減少，當凍融循環次數高于25次以后，其混凝土含水率降低，摩擦阻力區域穩定，利用水工閘壩的穩定運行。

3 結 論

1)受到水工閘壩應力面積的影響，不同直徑下混凝土應力變化當凍融循環次數介于16-25次時較為穩定，這主要受到水工閘壩摩擦阻力加大的影響，使得其應力變化有所減小。

2)計算應力和測定的應力之間計算誤差總體低于20%，相關系數可達到0.65以上，具有較好的相關度，且隨著凍融循環次數的增加，其應力總體呈現指數變化。

3)水工閘壩混凝土應力分布隨著凍融循環次數增加呈現S形變化，受凍融循環次數增加其閘壩體混凝土之間的黏聚力有所減少，當凍融循環次數高于25次以后，其混凝土含水率降低，摩擦阻力區域穩定，利用水工閘壩的穩定運行。