架立鋼筋裁切方式對面板混凝土溫度應(yīng)力的影響研究

0 引言

在水利工程中，面板混凝土面臨著多重且多變的荷載挑戰(zhàn)，如靜水壓力[1-2] 環(huán)境溫度波動[3-4]等。這些復(fù)雜的外部因素作用于面板混凝土上，會導(dǎo)致其產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)變形[4-7]。尤為關(guān)鍵的是，面板混凝土架立鋼筋是否采取齊根裁切[8-9]，對于混凝土的變形、約束應(yīng)力[10-1]的傳遞路徑具有顯著影響。具體而言，對架立鋼筋采取齊根裁切方式，將直接干預(yù)應(yīng)力[12-13]的重新分配機制，促使混凝土內(nèi)部特定區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而加劇混凝土的開裂風(fēng)險，對整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性構(gòu)成潛在威脅。當(dāng)前，架立鋼筋裁切方式對面板混凝土溫度應(yīng)力影響的研究較少，而研究合理的架立鋼筋裁切方式將有助于提升水利工程面板混凝土的整體安全性與耐久性。

依托新疆玉龍喀什水利樞紐工程，選取面板混凝土為研究對象，采用三維有限元法[14-17]對施工期面板混凝土的溫度應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)探究了架立鋼筋裁切方式對面板混凝土溫度應(yīng)力分布的具體影響，旨在揭示其內(nèi)在的作用規(guī)律，為優(yōu)化混凝土防裂措施提供實用參考。

1 工程概況

新疆玉龍喀什水利樞紐旨在確保塔里木河生態(tài)水量，并與烏魯瓦提水利樞紐協(xié)同調(diào)度，以生態(tài)輸水和灌溉補水為主，兼顧防洪與發(fā)電。該工程采用混凝土面板堆石壩，蓄水位 2170m ，最大壩高 233.5m ，總庫容5.36億 m³ ，裝機容量 200MW ，屬于Ⅱ等大（2）型工程。工程設(shè)施包括攔河壩、泄水設(shè)施、發(fā)電引水洞、地面廠房、尾水渠、過魚設(shè)施等。根據(jù)SL252－2017《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，該工程的攔河大壩為1級，主要泄水和引水發(fā)電設(shè)施為2級，發(fā)電廠房、過魚設(shè)施等次要建筑為3級，臨時建筑為4級。工程地處喀喇昆侖山北坡，屬于溫帶大陸性氣候區(qū)，氣溫變幅大，氣候干燥，蒸發(fā)強烈，施工條件極為復(fù)雜。

2 主要計算參數(shù)

2.1 氣溫資料

該面板混凝土結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的多年平均氣溫12.3℃，極端最高氣溫 40.5°C ，極端最低氣溫-25.6°C ，最冷月平均氣溫 -5.34°C ，多年平均風(fēng)速2.09m/s 。仿真計算中，將該面板混凝土結(jié)構(gòu)所在地多年月平均氣溫擬合成余弦曲線公式[1]如下，同時考慮 ±13.0% 的晝夜溫差。

式中： T_a 為氣溫， C：t 為時間，d。

2.2混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)

C30混凝土各項熱力學(xué)參數(shù)由室內(nèi)試驗獲得，主要熱力學(xué)參數(shù)見表1。

混凝土彈性模量為

E（τ）=30.0×[1-e^-0.51τ0.69]

混凝土抗拉強度為

f（τ）=2.48×[1-e^{-0.314τ0.712}]

混凝土徐變度根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]取值：

絕熱溫升為

θ（t）=41.6t/（t+2.81）

式中： τ 為凝期， d;t 為時間， d;C₁=0. 19/E₀，C₂= 0.39/E₀ E₀ 為最終彈性模量。

2.3其他熱學(xué)參數(shù)

混凝土在空氣中的表面放熱系數(shù)數(shù)值與風(fēng)速有關(guān)，由工程資料可知該施工地區(qū)歷年平均風(fēng)速 u= 2.09m/s ，因混凝土拆模后表面比較光滑，按光滑表面取值[16]，有風(fēng)時為

β=18.46+17.36ν^0.883=18.46+17.36×2.09^0.883

=51.74kJ/（m²?h?C）

地基表面按粗糙表面考慮[16]，有風(fēng)時為

β=21.06+17.58ν^0.910=21.06+17.58×2.09^0.910

=55.44kJ/（m²?h?%）

各級仿真計算（裁切方式）中的表面放熱系數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)表面的實際覆蓋情況而定。

3計算模型與邊界條件

3.1 計算模型

計算模型充分考慮了堆石體的填筑過程和面板的 澆筑順序，有限元計算模型網(wǎng)格如圖1（a）～（d）所 示，模型的單元總數(shù)179286個，節(jié)點總數(shù)159113個。

計算所用的直角坐標(biāo)系定義：順?biāo)鞣较驗?X 軸，壩軸向為 Y 軸，高程方向為 Z 軸。

為突出當(dāng)前研究的關(guān)注點以及提高仿真計算效率，本文重點關(guān)注架立鋼筋裁切方式對混凝土面板溫度應(yīng)力的影響，模型中架立鋼筋采用埋置單元法模擬，并未考慮鋼筋與周圍混凝土的接觸作用，其中，含鋼筋的仿真模型示意如圖1（e）～（f）所示。

3.2特征點及特征截面

為便于觀察面板混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的最大拉應(yīng)力，計算時長范圍內(nèi)的各時刻最大拉應(yīng)力，并將其集中應(yīng)力包絡(luò)圖中，在應(yīng)力較大的特征截面進(jìn)行了切片（中截面），面板的特征截面A-A具體位置如圖2（a）所示。特征點選取模型中靠近實際溫度測點布設(shè)的位置，以及選取河床典型Ⅱ序面板坡向上部、中部和下部的特征點，特征點位置如圖2（b）所示。

3.3 初始及邊界條件

溫度邊界：地基表面為散熱面，模型底部及側(cè)面考慮為絕熱邊界，從澆筑日期向前推算30a開始地基溫度場計算，獲取澆筑日地基溫度。混凝土各面散熱情況根據(jù)不同仿真計算（裁切方式）確定。

應(yīng)力邊界：地基底部及四周采用法向約束。

3.4 澆筑溫度

各塊面板澆筑溫度如表2所示。本次分析研究對象為1＼～26號面板。

4主要裁切方式和計算結(jié)果分析

4.1 主要裁切方式

根據(jù)現(xiàn)有的環(huán)境、材料、結(jié)構(gòu)、施工4個方面的信息，為研究全坡架立鋼筋齊根裁切方式對面板混凝土溫度應(yīng)力的影響，一共設(shè)置了以下5種裁切方式：

（1）面板混凝土預(yù)計在3月開工澆筑，全坡架立鋼筋齊根裁切，無溫控措施，臨空面散熱系數(shù)達(dá)到51.74kJ/（m²?h?C） ，日均氣溫驟降 13^qC 。

（2）在裁切方式1基礎(chǔ)上，全坡架立鋼筋未齊根裁切。

（3）在裁切方式1基礎(chǔ)上，底部1/3架立鋼筋未齊根裁切。（4）在裁切方式1基礎(chǔ)上，中部1/3架立鋼筋未齊根裁切。（5）在裁切方式1基礎(chǔ)上，上部1/3架立鋼筋未齊根裁切。

4.2計算結(jié)果分析

4.2.1全坡架立鋼筋齊根裁切

圖3為全坡架立鋼筋齊根裁切方式下面板特征點應(yīng)力歷程。計算結(jié)果表明，當(dāng)全坡架立鋼筋齊根裁切且無保溫措施時，在早期（澆筑后 1～2d 內(nèi)）受晝夜溫差影響，面板表面應(yīng)力會超過混凝土允許應(yīng)力接近混凝土抗拉強度，面板容易出現(xiàn)表面裂縫。由于已經(jīng)進(jìn)入6月，隨后的降溫過程面板溫度應(yīng)力雖有所上升，但并未超過允許應(yīng)力。此后，由于面板整體溫度隨著氣溫上升而升高，面板整體應(yīng)力開始下降，整個高溫季節(jié)，面板整體應(yīng)力水平相對較低，滿足防裂要求。面板澆筑后180d左右（大致為當(dāng)年的10月初）面板溫度受氣溫影響開始下降，導(dǎo)致面板整體應(yīng)力開始進(jìn)一步增大，越冬過程中，面板坡向中部距離底面1/4板厚、面板中心點、距離底面3/4板厚特征點的應(yīng)力會超過混凝土抗拉強度，面板中心應(yīng)力甚至高達(dá)近 3.5MPa ，說明此時面板極有可能出現(xiàn)貫穿性裂縫。

圖4為全坡架立鋼筋齊根裁切方式下面板從3月開工澆筑直至次年1月22日冬季期間中截面應(yīng)力分布和架立鋼筋示意圖。面板坡向最大應(yīng)力主要分布在Ⅱ序面板的中部，且面板坡向中部應(yīng)力大于坡向上部和坡向下部應(yīng)力。I序面板坡向最大應(yīng)力達(dá)到了1.8MPa左右，Ⅱ序面板坡向最大應(yīng)力約 2.5MPa ，整體呈現(xiàn)“中間大、兩端小”的分布特點。

4.2.2全坡架立鋼筋未齊根裁切

圖5為全坡架立鋼筋未齊根裁切方式下面板特征點應(yīng)力歷程。計算結(jié)果表明，當(dāng)全坡架立鋼筋未齊根裁切且無保溫措施時，面板早期整體應(yīng)力相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時幾乎無變化，越冬期面板整體應(yīng)力相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時有所增長，增長幅度為 0.3～0.5MPa ，原因在于面板早期主要受內(nèi)外溫差影響較大，在溫控措施不變的條件下，內(nèi)外溫對其影響幾乎不變。此外，早期混凝土剛澆筑時具有一定的流動性，在初凝前架立鋼筋對混凝土面板的約束作用不明顯，而隨著齡期的增長，混凝土的強度也隨之不斷發(fā)展，架立鋼筋對混凝土面板的約束作用表現(xiàn)愈加明顯，尤其在越冬期較大的基礎(chǔ)溫差下，應(yīng)力增長較為明顯。越冬過程中，面板特征點應(yīng)力均超過允許應(yīng)力，且距離底面1/4板厚、面板中心點、距離底面3/4板厚特征點的應(yīng)力均會超過混凝土抗拉強度，面板中心應(yīng)力甚至高達(dá)近 3.99MPa ，相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時增長幅度 0.5MPa 左右，此時面板極有可能出現(xiàn)貫穿性裂縫。

圖6為全坡架立鋼筋未齊根裁切方式下面板從3月開工澆筑直至次年1月22日冬季期間中截面應(yīng)力分布和架立鋼筋示意圖。其中，1序面板坡向最大應(yīng)力達(dá)到了 2.5MPa 左右，Ⅱ序面板坡向最大應(yīng)力為3.5MPa 左右。

總體而言，當(dāng)面板不保溫，全坡架立鋼筋未齊根裁切時，對面板早期應(yīng)力影響不大，對越冬期面板整體應(yīng)力影響相對較大，應(yīng)力相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時增長 0.3～0.5MPa ，極有可能出現(xiàn)貫穿性裂縫。

4.2.3底部1/3架立鋼筋未齊根裁切

圖7為底部1/3架立鋼筋未齊根裁切方式下面板特征點應(yīng)力歷程。計算結(jié)果表明，當(dāng)?shù)撞?/3架立鋼筋未齊根裁切且無保溫措施時，面板早期整體應(yīng)力相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時同樣幾乎無變化，越冬期面板整體應(yīng)力相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時增長 0.05～0.1MPa ，面板中心應(yīng)力接近 3.49MPa ，主要原因與全坡架立鋼筋未齊根裁切且無保溫措施時類似，但表明底部1/3架立鋼筋未齊根裁切對面板的應(yīng)力影響較小，即中上部1/3架立鋼筋的齊根裁切能較大地降低面板的約束，從而能較大地降低面板的應(yīng)力。

圖8為底部1/3架立鋼筋未齊根裁切方式下面板從3月開工澆筑至次年1月22日冬季中截面應(yīng)力分布和架立鋼筋示意圖。其中，I序面板坡向最大應(yīng)力達(dá)到了 1.9MPa ，Ⅱ序面板坡向最大應(yīng)力 2.9MPa 。此時，面板整體應(yīng)力分布相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時差異性不大。

總體而言，底部1/3架立鋼筋未齊根裁切時，對面板早期應(yīng)力影響不大，對越冬期面板整體應(yīng)力影響略有增大，應(yīng)力相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時增長 0.05～0.1MPa ，相對全坡架立鋼筋未齊根裁切無保溫措施時降低 0.2～0.4MPa ，表明中上部1/3架立鋼筋的齊根裁切能較大程度地降低面板的約束，從而能較大幅度地降低面板的應(yīng)力。

4.2.4中部1/3架立鋼筋未齊根裁切

圖9為中部1/3架立鋼筋未齊根裁切方式下面板特征點應(yīng)力歷程。計算結(jié)果表明，當(dāng)中部1/3架立鋼筋未齊根裁切且無保溫措施時，面板早期整體應(yīng)力相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時同樣幾乎無變化，越冬期面板整體應(yīng)力相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時增長 0.1～0.2MPa ，面板中心應(yīng)力接近3.46MPa ，主要原因與底部1/3架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時類似，但表明中部1/3架立鋼筋未齊根裁切且無保溫措施時的應(yīng)力相對底部1/3架立鋼筋未齊根裁切且無保溫措施時的應(yīng)力略有減小，反之上、底部1/3架立鋼筋未齊根裁切這一約束作用導(dǎo)致面板溫度應(yīng)力增長幅度相對上、中部1/3架立鋼筋未齊根裁切更大，可見兩端約束對面板溫度應(yīng)力的影響更大。

圖10為中部1/3架立鋼筋未齊根裁切方式下面板從3月開工澆筑至次年1月22日冬季期間中截面應(yīng)力分布包絡(luò)圖和架立鋼筋示意。I序面板坡向最大應(yīng)力達(dá)到了 2.0MPa ，Ⅱ序面板坡向最大應(yīng)力3.0MPa 。整體呈現(xiàn)中間大兩端小的分布特點。此時，面板整體應(yīng)力分布相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時增長 0.1～0.2MPa 。

總體而言，中部1/3架立鋼筋未齊根裁切時，對面板早期應(yīng)力影響不大，對越冬期面板整體應(yīng)力影響相對較大，應(yīng)力相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時增長 0.1～0.2MPa ，相對全坡架立鋼筋未齊根裁切無保溫措施時降低 0.1～0.3MPa ，表明中上部1/3架立鋼筋的齊根裁切同樣能較大程度地降低面板的約束，從而能較大幅度地降低面板的應(yīng)力。

4.2.5上部1/3架立鋼筋未齊根裁切

圖11為上部1/3架立鋼筋未齊根裁切方式下面板特征點應(yīng)力歷程。其中，I序面板坡向最大應(yīng)力達(dá)到了 2.0MPa ，Ⅱ序面板坡向最大應(yīng)力 3.0MPa 。此時，面板整體應(yīng)力分布相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時增長 0.1～0.2MPa 。

總體而言，中部1/3架立鋼筋未齊根裁切時，對面板早期應(yīng)力影響不大，對越冬期面板整體應(yīng)力影響相對較大，應(yīng)力相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時增長 0.1～0.2MPa ，相對全坡架立鋼筋未齊根裁切無保溫措施時降低 0.1～0.3MPa ，面板中心應(yīng)力高達(dá)3.87MPa ，表明中上部1/3架立鋼筋的齊根裁切同樣能較大程度地降低面板的約束，從而能較大幅度地降低面板的應(yīng)力。

圖12為上部1/3架立鋼筋未齊根裁切方式下面板從3月開工澆筑至次年1月22日冬季期間中截面應(yīng)力分布包絡(luò)圖和架立鋼筋示意。計算結(jié)果表明，當(dāng)上部1/3架立鋼筋未齊根裁切且無保溫措施時，面板早期整體應(yīng)力相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時同樣幾乎無變化，越冬期面板整體應(yīng)力相對全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時增長 0.2～0.4MPa ，主要原因與全坡架立鋼筋齊根裁切無保溫措施時類似，此處不再贅述，且應(yīng)力增長幅度與全坡架立鋼筋齊根裁切差異性不大，表明上部1/3架立鋼筋齊根裁切與否對面板溫度應(yīng)力的影響較大。此外，結(jié)合前面的計算結(jié)果可知，面板底部在自重的作用下受到的壓應(yīng)力相對更大，架立鋼筋對面板拉應(yīng)力的影響相對較小，表明下部1/3架立鋼筋齊根裁切與否對面板拉應(yīng)力影響相對較小。

將以上5種不同裁切方式下面板最大應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計對比，如表3所示，可見中、上部1/3架立鋼筋的齊根裁切能較大程度地降低面板的約束力，從而能較大幅度地降低面板的應(yīng)力，全坡架立鋼筋未齊根裁切方式對面板溫度應(yīng)力的影響最大。

5結(jié)論

綜合上述分析結(jié)果可知，在不采取任何溫控措施的情況下，面板架立鋼筋裁剪方式對面板早期應(yīng)力影響不大，對越冬期面板溫度應(yīng)力的影響主要如下：

（1）全坡架立鋼筋未齊根裁切方式下，越冬期面板溫度應(yīng)力增大 0.3～0.5MPa ;底部1/3鋼筋未齊根裁切，越冬期面板溫度應(yīng)力略增，幅度為 0.05～0.1 MPa ;中部1/3鋼筋未齊根裁切，對越冬期面板溫度應(yīng)力影響較大，增長幅度為 0.1～0.2MPa ;上部1/3鋼筋未齊根裁切，越冬期面板溫度應(yīng)力顯著增加，幅度為0.2～0.4MPa 。

（2）中、上部1/3架立鋼筋的齊根裁切能較大程度地降低面板的約束力，從而能較大幅度地降低面板的應(yīng)力。

（3）架立鋼筋裁切方式對面板溫度應(yīng)力的影響大小排序：全坡架立鋼筋未齊根裁切 gt; 上部1/3架立鋼筋未齊根裁切 gt; 中部1/3架立鋼筋未齊根裁切 gt; 底部1/3架立鋼筋未齊根裁切 gt; 全坡架立鋼筋齊根裁切。

建議在進(jìn)行混凝土面板施工時，對全坡架的鋼筋實施根部精準(zhǔn)裁切，以最大程度地降低面板開裂風(fēng)險，為類似混凝土面板工程防裂優(yōu)化提供參考。

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（編輯：江，舒忠磊）

Influence study on cutting method effect of erect steel bars on concrete panels thermal stress

MA Hongyu1，YUAN Min2，GUAN Wenzhou3，MAO Yanhui4，XU Hang2，DONG Yun2 （1.XinjiangWaterRurcedHdoerresigdsechtuteCodUmiOa；t ofMaterialandtructureofajngReretficeseachstute，Wun3Oina；3.inaezoubaoc pal EngineringCo.Ld.，Yichang 44302，China；4.Luoyang Yuxing Water ConseruancyEngineering QualityTestingCo.，d.， Luoyang 471000，China）

Abstract： To study the influence of erecting stel bars on the temperature stressof panel concrete，we took Yulong KashgarWater Conservancy Hub Project in Xinjiang as an example，and used three-dimensionalfinite element method to analyzeand explorethe influenceoffive types of erecting steel barcuting methods onthe temperature stress distributionof panelconcrete duringthe construction period.The research results indicatedthat the incompleterootcuting method of the stelbars inthefullslopeframe hadan greatestimpacton the temperature stressof theoverwinteringpanel，withan increase of 0.3 to 0.5MPa. It was recommended to implement precise root cutting of the steel bars of the full slope frame duringconcrete panel construction to minimize therisk of panel cracking.Theresearch resultscanprovide areference for crack prevention optimization in similar concrete panel projects.

Key Words：erect steel bars；concrete panel；thermal stress；crack prevention measures；simulation calculation