不同养护时间对混凝土温度和应力的影响

第３４卷第５期　人民黄河　ＶＯ１．３４．Ｎｏ．５　２０１２年５月　ＹＥＬＬ０Ｗ　ＲＩＶＥＲ　Ｍａｙ，２０１２　【水利水电工程】　不同养护时间对混凝土温度和应力的影响　马跃先，李政鹏，曲晓宁，边永欢　（郑州大学水利与环境学院，河南郑州４５０００２）　摘要：针对混凝土表面养护问题，运用有限元分析软件，结合实例对比计算不同养护时间对某闸墩底板混凝土温度场、　应力场的影响。结果表明：该工程混凝土养护时间为７　ｄ时可以达到较好效果。选取合适的养护时间不仅可以降低其　早期内外温差和表面温度应力，避免温度裂缝的出现，还可以节约成本，加快施工进度。　关键词：混凝土；养护时间；内外温差；温度应力；裂缝　中图分类号：ＴＶ７４２　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—１３７９．２０１２．０５．０３３　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｄｉｆｅｒｅｎｔ　Ｃｕｒｉｎｇ　Ｔｉｍｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｓｔｒｅｓｓ　ＭＡ　Ｙｕｅ—ｘｉａｎ，ＬＩ　Ｚｈｅｎｇ—ｐｅｎｇ，ＱＵ　Ｘｉａｏ—ｎｉｎｇ，ＢＩＡＮ　Ｙｏｎｇ—ｈｕａｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｓｓｕｅ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｕｒｉｎｇ，ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｕｒｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｇｏｏｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃｕｒｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｉｓ　７　ｄａｙｓ．Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ　ａ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｃｕｒｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｅａｒｌｙ　ｉｎｎｅｒ—ｏｕｔｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｔｏ　ａ—　ｖｏｉｄ　ｔｈｅ　ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｒａｃｋｓ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｓａｖｅ　ｃｏｓｔｓ　ａｎｄ　ｓｐｅｅｄ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｃｕｒｉｎｇ　ｔｉｍｅ；ｉｎｎｅｒ—ｏｕｔｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ；ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ；ｃｒａｃｋ　水闸体积较大，结构形式复杂，而冬季环境温度较低，冬季　是连续的。　施工易因混凝土内外温差过大而产生温度裂缝。温度控制常　根据实际情况选定边界条件，计算温度应力时，混凝土各　用的方法为混凝土表面养护保温，表面养护保温可以减少外界　部分温度变化产生的线应变为Ｏ／（Ｔ—Ｔｏ）（　为热膨胀系数，　环境温度变化对大体积混凝土的影响。田振华等…模拟了温　为弹性体内任一点的温度值，　为初始温度值）。物体热膨胀　度骤降对大体积混凝土表面温度应力的影响，马跃峰等　阐述　只产生线应变，剪应变为０。计算应力时，首先求出由热变形引　了不同表面保温措施对闸墩混凝土温度和应力的影响。关于　起的初应变ｓ。，并求得相应初应变引起的等效节点荷载Ｐ。（温　混凝土表面养护时间对其温度场、应力场影响的研究较少，而　度荷载），然后求出因温度变形而引起的节点位移，由节点位移　合适的养护时间可以降低混凝土内外温度梯度，减小温度应　可求出温度应力。　力，避免裂缝出现，保证混凝土结构安全。笔者运用ＡＮＳＹＳ有　混凝土浇筑完成后采用表面覆盖保温材料进行养护，但一　限元分析软件模拟混凝土的表面养护，分析了不同养护时间对　般保温材料的性能与混凝土热力学性质等差异较大，直接用热　其温度场、应力场的影响。　传导方程计算温度场往往得不到合理的结果　。因此笔者采　用等效放热系数法考虑保温材料的作用，等效表面放热系数　１计算理论　［３１为　运用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件建模计算混凝土内部的温度　场，其实质是热传导方程在特定初始条件及边界条件下的求　解。采用三维瞬态温度场热传导方程　Ｊ：　式中：口为保温材料在空气中的放热系数；ｈ　为保温材料的厚　—ａＯＴ—Ｊｒ　、　ｌ＝ａ　（窘＋—ａ　＋　ａ雾＋—　＋—　ｖ　ａ　）＋ａ　ａ）＋　ｏ　（、　１　）Ｊ　度；Ａ　为保温材料的导热系数。　式中：　为温度；０为绝热温升；。为导温系数；　ｒ为时间。　收稿日期：２０１１—１１－０３　初始条件为Ｔ（　，Ｙ，Ｚ，０）＝Ｔｏ（　，ｙ，ｚ），　为初始温度。边　作者简介：马跃先（１９５７一），男，河南南阳人，教授，主要从事水电站优化运行　界条件分为边界上温度函数已知，边界上热流密度已知，假定　研究工作。　通讯作者：李政鹏（１９８８一），男，河南南阳人，硕士研究生，研究方向为大体积　经过表面的热流量与表面温度　和气温　之差成正比。当两　混凝土温度控制。　种固体（混凝土与基岩）接触良好时，接触面上温度和热流量都　Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｚｈｅｎｇｐｅｎｇ８８＠１６３．ｃｏｎ　・９９・　人民黄河２０１２年第５期　２计算实例　２．１工程概况　２００９年１２月，某水库除险加固工程闸墩底板开始施工，每　仓浇筑长２２　ｍ，宽ｌ４．４　ｍ，高２．４　ｉｎ。由于混凝土体积较大，且　冬季环境温度较低，因此浇筑完成后需做好后期养护，以避免　因内外温差过大而产生温度裂缝。　２．２计算参数选取　（１）热学参数。闸墩底板混凝土强度等级为Ｃ２５，其配合　比见表１。根据试验资料，并参考相关研究成果，混凝土导热系　数为２２６．４６　ｋＪ／（ｍ・ｄ・℃），比热为０．９１　ｋＪ／（ｋｇ・℃），密度　为２　４２２．３６　ｋｇ／ｍ　，放热系数为１　５１４．００　ｋＪ／（ｍ　・ｄ・℃）。　表１混凝土配合比　ｋｇ　综合考虑经济适用及施工方便等因素，混凝土表面保温材　料采用聚乙烯泡沫板。聚乙烯泡沫板导热系数为３．１２　ｋＪ／　（ｉｎ・ｄ・℃），比热为２．５０　ｋＪ／（ｋｇ・℃），密度为３０　ｋｇ／ｍ　，放　热系数为１　６２１．００　ｋＪ／（ｍ　・ｄ・℃）。　混凝土浇筑完成进行养护时，保温材料应保持湿润，根据　式（２）采用加权平均法计算泡沫板等效放热系数为１７２．８０　ｋＪ／　（ｉｎ　・ｄ・℃）。　（２）力学参数。混凝土属脆性材料，不出现裂缝的前提是　拉应力小于其抗拉强度，混凝土抗拉强度随龄期变化的经验公　斗，　５】　Ｒｒ（ｔ）＝０．８Ｒｌｆ、（１ｇ　ｔ）”　（３）　式中：　（ｔ）为龄期为ｔ时混凝土的抗拉强度．Ｎ／ｍｍ　；Ｒｆｎ为混　凝土２８　ｄ龄期时的抗拉强度，Ｎ／ｍｍ　，根据资料取１．７８　Ｎ／　ｍｉｎ　；ｔ为龄期，ｄ。　混凝土不同龄期时的弹性模量为　Ｅ（ｔ）＝Ｅｏ（１一ｅ　）　（４）　式中：Ｅ（ｔ）为龄期为ｔ时混凝土的弹性模量，ＭＰａ；Ｅ。为混凝土　２８　ｄ龄期时的弹性模量，ＭＰａ，取２．８　ｘ　１０　ＭＰａ；ｔ为混凝土龄　期，ｄ。　２．３模型建立　运用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件建模计算时考虑下部基岩的　影响，四周边界取绝热边界条件，混凝土表面养护材料与空气　接触形成热对流边界。四周通过钢模板和空气进行热交换，近　似处理为第三类边界条件，但由于钢模板的导热系数较大，基　本卜没有保温作用，因此不考虑钢模板的保温效果。加载计算　时间为２１　ｄ。　为了减小边界条件引起的误差，建模计算时，纵向顺水流　从老闸墩底板向下游取３０　ｍ，横向取每仓混凝土底板浇筑宽度　的２倍，即２８．８　ｍ，基岩深度取３．０　ｍ。　为了确保仿真模拟准确，在保证计算速度的前提下，有限　元网格划分尽可能较密。底板混凝土温度场分析时采用ＳＯＬ—　ＩＤ７０六面体８节点等参单元，该单元每个节点有一个温度自由　度。应力计算时将ＳＯＬＩＤ７０单元转换为ＳＯＬＩＩＭ５单元，并将前　・１００・　计算温度值作为荷载施加于单元节点上。单元划分完成后，对　基岩及混凝土单元赋予相应的材料属性，建立约束后，便可进　行加载计算。　２．４模型计算及分析　模拟分析同等条件下养护时间对混凝土温度场、应力场的　影响。混凝土的裂缝主要是内外温差过大，温度梯度过高造成　的，因此主要计算分析混凝土的内部温度、表面温度、内外温差　及表面应力等。取混凝土表面养护时间为５、７　ｄ两种方案进行　对比。　（１）温度场计算结果。混凝土养护５、７　ｄ，混凝土温度随时　间的变化见图１。可以看出，混凝土表面养护５　ｄ及７　ｄ，中心　点最高温度值分别为４３．１　和４４．２℃。原因是，养护时间越　长，其保温效果越好，内部最高温度也随之升高。表面点最高　温度值分别为３５．１℃和３５．７℃，达到峰值后温度迅速下降，　鼹．表商点温度下降速率　显快十中心点黼腰。晾　是，　境温　度较低，表面点混凝土直接与空气接触，而混凝土是热的不良　导体，导热系数较小，表面温度向中心传递较慢。混凝土养护　５　ｄ，其内外最大温差为２２．６℃，养护７　ｄ，其内外最大温差为　２１．２℃，降幅为６％，表明延长养护时间可以降低混凝土内外　温差，降低温度梯度。　、　［　。　　．．　。　．　．　．　踞　如　∞　∞　图１∞　ｍ　混凝土内外温度值　Ｏ　（２）应力场计算结果。混凝土养护５、７　ｄ，混凝土应力随时　间的变化见图２。可以看出，混凝土表面养护５　ｄ，表面拉应力在　第６　ｄ为１．２５　ＭＰａ，第７　ｄ为１．３６　ＭＰａ，均超出了相应龄期下的　抗拉强度，极有可能产生裂缝。混凝土表面养护７　ｄ，表面最大　拉应力为１．３５　ＭＰａ，在相应抗拉强度之内。两种情况下，混凝土　表面拉应力前期增长较快，达到峰值后均呈下降趋势，且均在　１８　ｄ后趋于稳定。混凝土表面养护７　ｄ情况下其后期温度应力　稍大，原因是早期内部温度稍高，后期温度降幅较大。　０４　嘎　图２混凝土表面点应力值　通过分析可知，延长混凝土养护时间可以减小混凝土表面　温度应力，但养护时间过长，既增加工程造价，又影响施工进　度，合理的养护时间不仅能保证混凝土拉应力不超过抗拉强　度，避免裂缝出现，还可以节约成本，　（下转第１０３页）　人民黄河在ＶＢ编程环境下，通过引用对象库“Ｍｉｃｒｏｓｏ￣Ｗｏｒｄ　ｌ１．０　Ｏ￣ｅｅｔ　Ｌｉｂｒａｒｙ”可以调用Ｗｏｒｄ，将生成的图形按一定顺序直接　导入Ｗｏｒｄ，并且可以利用编程加入适当的文字说明。这样便　无需考虑模块的图形打印功能，可以直接将其交给Ｗｏｒｄ处理，　而且其功能比独立开发的功能更强大。　２０１２年第５期　技术方法，结合某建设中的混凝土拱坝光纤测温数据，设计并　开发了混凝土拱坝垂直向温度分布图形绘制功能模块。所开　发的绘图模块在该工程施工期得到了很好的应用，对处理和分　析光纤测温数据提供了一种便捷的手段。　参考文献：　［１］蔡德所光纤传感技术在大坝工程中的应用［Ｍ］．北京：中国水利水电出版　社，２００２．　３工程实例　西南某建设中的混凝土拱坝在５　、１５　、１６　、２３　坝段全断面　埋设分布式光纤，在线监测施工过程中混凝土的温度变化情　［２］蔡德所，戴会超，蔡顺德，等．分布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场　试验研究［Ｊ］．水利学报，２００３（５）：８８—９１．　况，为大坝混凝土浇筑温度控制提供基础数据。笔者结合该混　凝土拱坝的光纤测温数据，利用上述各技术方法，设计开发出　大坝垂直向温度分布图形绘制功能模块，用户图形交互界面见　图２，图形输出到Ｗｏｒｄ中的效果见图３。　谶畴秘薯谭释叠　竹　……－　……一一　日翻　ｌ坦厨啬幂ｌ平煳蠢Ｉ翻　锄ｌ卜Ｔ叶０　Ｉ’∞’∞ｊｌ５　｝２２　ｌ　｛档３：＝　一　：骑　ｉ　＿鲥　～瓤ｇ　一…～　警　雠…｛　醚　～一　一　∞ｌ卜Ｔ　∞ｌ：∞　ｏｏ｛ｌｓ∞　｛ｌ３封２＿ｔ１Ｔ，　∞“一７－∞ｌ∞：∞ｌＩ％　｝２１∞ｉ１｝　３　∞ｌｌ　Ｔ，∞Ｉ　∞．∞ｉｌ｝¨　ｉｌ２∞｛　３　ｉ：　＿旷　眭学　一…　｛莉：　氯ｒ　＇辑　…一　秘拄　躺趟～　∞Ｉｌ吖　鳓ｌ∞　加一一～…一…～　｛ｔ一　　……一　一＿＿…　“～一，…　一　∞ｌＩ＿‘∞Ｉ．∞：∞ｌｌ５　｛｝１３　９０哩　３｛｝４ｌ　３　３３　　辩止日：籀莉辈群筲嚣学一　一　耐　＝　：　百　～｝傅　……｝　一｝　一一　｛　一　萄＿ｉｉ平　１ｉ嘶……　随恼…硒　…．　｛　黼鼬ｌ　ｈ　１　ｔ誊礓馥姥辑搬骼侮曩　瞅　……一●６■　…－　－辘　琏舶趣抽封蕊Ｉ：　Ｙ　釉　鞫黼∞时∞分　／　镰　缱热姻　瓤　－“　端描荪漕嚣球　｝　¨　）　ｔ☆　ｂ　盘　ｋ　：　★　瞳　＾　ｔ　，，　ｊ　ｌｈ　｜　、　并翰齄舶　一　ｊ　－　＿　¨确地蚕ｌ扫婶ｄ　…”ｎ…＊＾Ｋ＇　■●■ｔ●，＾ｔｔ　忡●ＩｐＨ¨＿柚●■纳●自　氇　Ｉ　１　。　图２用户图形交互界面　高程（ｍ）　ｌ　ｌ８蝴ｌ区　４　１７＃灌区　／ｌ　４６７　ｌ６ｌ｝灌区　、　４５８　ｌ　５＃灌区　ｌ　４４９　¨＃灌区　）　（盖重豳　４４０　ｌｊ辩ｌ区　『／　（过渡围　４３１　１２罐区　、＼　（周冷因　４２２　ｌ１＃ｉ《区　、　（同冷豳　４１ｊ　，，　ｌ槲灌区　』　《侮攫西　４Ｏ４　０　２　４　６　８　１０　１２　１４　１６　１８　２０　２２　２４　２６　２８如温度（℃）　ｌ　５｛｝坝段备仓平均温度在时刻２０１卜７　ｌ　Ｏ：０ｏ垂蛊向分布图　图３图形输出到Ｗｏｒｄ中的效果　４结语　笔者基于模块化设计思想，采用ＡＤＯ访问与查询Ａｃｃｅｓｓ　数据库技术以及基于ＶＢ编程语言实现图形绘制与导出功能的　［３］鲍华，蔡德所，唐天国，等．ＲＣＣ坝温度监测光纤传感网络设计与埋设工艺　研究［Ｊ］．水力发电，２００６，３２（２）：２６—２９．　［４］汤荣平．分布式光纤测温系统在小湾拱坝温度监测中的运用［Ｊ］大坝与安　全，２００７（６）：４３—４６．　［５］蒋剑，郭法旺．分布式测温光纤在光照大坝碾压混凝土中的应用探讨［Ｊ］．　水力发电，２００８，３４（３）：５５—５８．　［６］周建兵．基于分布式光纤测温的混凝土坝温控反馈分析［Ｄ］．宜昌：三峡大　学，２０１１．　［７］李婷婷，顾冲时，周红．大坝群安全监控管理系统中监测点的动态管理［Ｊ］．　人民黄河，２００６，２８（５）：６９—７０．　［８］蒋海洲，吴中如．ＡＤＯ技术在大坝安全监测中的应用［Ｊ］．水电能源科学，　２００２，２０（２）：４７—４９．　［９］　Ｃｈ￣ｌｅｓ　Ｐｅｔｚｏ］ｄ．Ｗｉｎｄｏｗｓ程序设计［Ｍ］．５版．北京：北京大学出版社，２０００．　【责任编辑张华岩Ｊ　………】■…】　…………】　…　（上接第１００页）加快施工进度。由计算结果可知，该工程混凝　土养护时间为７　ｄ时可以达到较好效果。　３结语　在同等条件下仿真模拟养护时间对混凝土温度场、应力　场的影响，通过计算选择合理的养护时间，达到既保证混凝土　温度应力符合要求，又可以节约工程造价的目的。模拟计算　结果表明，采用混凝土表面养护保温的方法可以防止温度裂　缝的出现，既简单、方便，又可满足防裂要求。不同种类的保　温材料其保温性能不尽相同，工程中应根据实际情况选择合　适的保温材料。　参考文献：　田振华，郑东健，姚远，等．大体积混凝土寒潮期温度应力及表面保温分析　［Ｊ］．水电能源科学，２０１１，２９（５）：９３—９５．　马跃峰，朱岳明．表面保温对施工期闸墩混凝土温度和应力的影响［Ｊ］河　海大学学报：自然科学版，２００６，３４（３）：２７６—２７９．　朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制［Ｍ］．北京：中国电力出版社，　１９９９．　张国新．非均质材料温度场的有限元算法［Ｊ］．水利学报，２０１３４（１０）：７１—　７６．　陈晓光．水工混凝土温度应力分析和温控防裂研究［Ｄ］．郑州：郑州大学，　２００７．　【责任编辑吕艳梅】　・１０３・