1、預(yù)應(yīng)力塢式閘室大體積混凝土施工水化熱分析長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology2目錄 五.結(jié)論及參考文獻(xiàn) 四.與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析 三.計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析 二.模型建立 一.問題的提出長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology一、問題的提出4長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology1.1 相關(guān)知識(shí)

2、塢式閘室：又稱“U”型閘室，由閘墻和底板連接而成，整體性好，防滲性強(qiáng)，地基反力分布比較均勻，對(duì)地基承載力要求較低 。適用于水頭較大 、閘墻較高 、對(duì)抗震要求較高以及軟弱地基和復(fù)雜地基的情況。大源渡二線大源渡二線船閘建設(shè)的船閘建設(shè)的驅(qū)動(dòng)因素驅(qū)動(dòng)因素大體積混凝土：我國大體積混凝土施工規(guī)范GB50496-2009里規(guī)定：混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土，稱之為大體積混凝土。大體積混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于水利水電工程、港航建筑物、核反應(yīng)堆、高層建筑基礎(chǔ)、橋梁等工程建設(shè)中。5長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha Univ

3、ersity of Science & Technology1.2問題引出 美國混凝土學(xué)會(huì)（ACI）規(guī)定：“任何就地澆筑的大體積混凝土，其尺寸之大，必須要求解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂。” 大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期，由于水泥水化熱的產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外部溫差較大，使得混凝土體積膨脹或收縮變形，而混凝土抗拉強(qiáng)度低，極限拉伸變形小，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度或拉應(yīng)變超過混凝土的極限拉應(yīng)變時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)裂縫。裂縫一旦形成以后，直接影響著水工建筑物的受力條件、抗?jié)B性、耐腐蝕性、穩(wěn)定性和耐久性等。長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Scie

4、nce & Technology1.2問題引出 以安徽穎上船閘為例，閘室底板厚度為2.22.5m，閘室側(cè)墻最大厚度也為2.5m，閘室節(jié)段長(zhǎng)16.2m，屬大體積混凝土結(jié)構(gòu)。閘室結(jié)構(gòu)斷面圖7長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology二、模型建立8長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology模型建立 取閘室結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行對(duì)稱建模，在閘室底板的中面上施加對(duì)稱約束。同時(shí)考慮到底板以下土體對(duì)澆筑混凝土的水化熱散熱效果的影響，底板以下取厚度5m的土體參與計(jì)算。采用MIDAS軟

5、件對(duì)穎上船閘大體積混凝土的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。材料和熱特性數(shù)據(jù)長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology 將整個(gè)閘室結(jié)構(gòu)施工過程水化熱分析計(jì)算分為3個(gè)階段進(jìn)行。計(jì)算過程考慮到混凝土在凝固過程中其強(qiáng)度和彈性模量的變化。模型建立水化熱計(jì)算模型10長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology三、計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology3.1 工況一：閘室側(cè)墻澆筑至底板以上2.3m 水

6、化熱產(chǎn)生的溫度隨時(shí)間分布情況圖： 工況一10h溫度分布 工況一30h溫度分布 工況一80h溫度分布長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology3.1 工況一：閘室側(cè)墻澆筑至底板以上2.3m 水化熱產(chǎn)生的溫度隨時(shí)間分布情況圖： 工況一170h溫度分布 從上圖可知，澆筑完10h后，閘室底板和已澆筑的部分側(cè)墻基本上整體上升溫，混凝土溫度最高為27.6；至澆筑完30h，已澆筑的混凝土表現(xiàn)出溫差，最高溫度為38.1 ，分布于底板的中心部分；到澆筑完80h和170h，底板中心溫度升溫較高，表面溫度升高較慢，最高溫度分別為49.9 和54.3 。

7、長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology3.1 工況一：閘室側(cè)墻澆筑至底板以上2.3m 水化熱導(dǎo)致的溫度應(yīng)力產(chǎn)生的拉應(yīng)力比（容許拉應(yīng)力/拉應(yīng)力）云圖： 工況一10h拉應(yīng)力比云圖 工況一30h拉應(yīng)力比云圖 工況一80h拉應(yīng)力比云圖長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology3.1 工況一：閘室側(cè)墻澆筑至底板以上2.3m 工況一170h拉應(yīng)力比云圖 拉應(yīng)力比反映的是容許拉應(yīng)力和實(shí)際拉應(yīng)力的比值，即以上圖所示小于1的區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域。澆筑完成10h和30h，混凝土拉應(yīng)力比小于

8、1的區(qū)域很少，而到了80h和170h，小于1的區(qū)域比較廣，基本分布在混凝土的表面，這說明在混凝土澆筑80h后，混凝土表面的拉應(yīng)力呈現(xiàn)大于其容許拉應(yīng)力，特別是到了170h，側(cè)墻的表面和底板的頂面，容易出現(xiàn)溫度裂縫。 水化熱導(dǎo)致的溫度應(yīng)力產(chǎn)生的拉應(yīng)力比（容許拉應(yīng)力/拉應(yīng)力）云圖：長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology3.2 工況二：閘室側(cè)墻澆筑至高程22m 該階段墻后填土仍沒有回填，溫度計(jì)溫度應(yīng)力計(jì)算不考慮墻后填土的限制。水化熱產(chǎn)生的溫度隨時(shí)間分布情況圖： 工況二10h溫度分布 工況二400h溫度分布 此階段初期澆筑的側(cè)墻溫度隨時(shí)

9、間有所升高，但仍沒有底板中心溫度高；到后期，由于側(cè)墻與大氣接觸面較大，散熱較快，側(cè)墻的表面溫度下降較快，側(cè)墻內(nèi)部溫度下降較慢，造成了側(cè)墻內(nèi)部和表面產(chǎn)生溫差，從而導(dǎo)致溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology3.2 工況二：閘室側(cè)墻澆筑至高程22m水化熱導(dǎo)致此階段溫度應(yīng)力產(chǎn)生的拉應(yīng)力比云圖： 該階段混凝土澆筑只有在澆筑完成80h閘室側(cè)墻有局部的區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力比小于1，而隨著時(shí)間的推移，閘室側(cè)墻的拉應(yīng)力比向大于1的方向發(fā)展，即越來越安全。 工況二10h拉應(yīng)力比云圖 工況二400h拉應(yīng)力比云圖長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha

10、 University of Science & Technology3.3 工況三：閘室側(cè)墻澆筑完成 本階段閘室側(cè)墻澆筑完成，此階段澆筑的混凝土方量很小，溫度及溫度應(yīng)力計(jì)算不考慮墻后填土的限制。水化熱產(chǎn)生的溫度隨時(shí)間分布情況圖： 工況三120h溫度分布 工況三750h溫度分布長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology3.2 工況三：閘室側(cè)墻澆筑至高程22m水化熱導(dǎo)致此階段溫度應(yīng)力產(chǎn)生的拉應(yīng)力比云圖： 因?yàn)榇穗A段澆筑的混凝土方量很小，混凝土澆筑產(chǎn)生的水化熱較少，溫度較低，并且構(gòu)件厚度很薄，散熱較快，內(nèi)外溫差較小，產(chǎn)生的應(yīng)力

11、很小，不易產(chǎn)生溫度裂縫。 工況三720h拉應(yīng)力比云圖 工況三750h拉應(yīng)力比云圖長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology四、與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology20 穎上船閘施工時(shí)，在底板布置了ae 5個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，閘墻布置了fj 5個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖 將三維水化熱計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行比較分析，底板溫度測(cè)點(diǎn)為上圖所示c測(cè)點(diǎn)，閘墻溫度測(cè)點(diǎn)為上圖所示h測(cè)點(diǎn)。長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Sci

12、ence & Technology21工況一閘室底板溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較工況一閘室側(cè)墻溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology22三維計(jì)算模型得到的閘室底板中心點(diǎn)和閘墻中心點(diǎn)溫度和三維計(jì)算模型得到的閘室底板中心點(diǎn)和閘墻中心點(diǎn)溫度和實(shí)測(cè)值隨時(shí)間變化趨勢(shì)相同，溫度計(jì)算值總體上比實(shí)測(cè)溫度低，但差實(shí)測(cè)值隨時(shí)間變化趨勢(shì)相同，溫度計(jì)算值總體上比實(shí)測(cè)溫度低，但差異較小。通過溫度計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的比較同時(shí)也表明采用異較小。通過溫度計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的比較同時(shí)也表明采用MIDAS軟件軟件建立三維空間模型進(jìn)行水化熱分析得到

13、的溫度隨時(shí)間變化情況能夠反建立三維空間模型進(jìn)行水化熱分析得到的溫度隨時(shí)間變化情況能夠反映閘室結(jié)構(gòu)實(shí)際施工過程由于水化熱引起的溫度變化情況。映閘室結(jié)構(gòu)實(shí)際施工過程由于水化熱引起的溫度變化情況。長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology23從該圖可知，只有在混凝土施工的第170230h混凝土的拉應(yīng)力超過了混凝土的容許拉應(yīng)力，也即在第一施工階段中，混凝土澆筑后170230h溫度產(chǎn)生的拉應(yīng)力易大于混凝土此時(shí)的容許拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生溫度裂縫。思考：文章不足之處在于，拉應(yīng)力和容許拉應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線主要是以數(shù)模分析得到，可考慮在原型上相應(yīng)部位添

14、加應(yīng)變片，通過應(yīng)變應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系來求得拉應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，并與數(shù)模分析結(jié)果互為對(duì)照，增強(qiáng)結(jié)論的說服力。長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology五、結(jié)論及參考文獻(xiàn)長(zhǎng)沙理工大學(xué)Changsha University of Science & Technology 結(jié)論及參考文獻(xiàn)結(jié)論及參考文獻(xiàn)結(jié)論：結(jié)論：采用采用MIDAS軟件水化熱分析模塊，建立閘室結(jié)構(gòu)的三維空間模型進(jìn)行水化軟件水化熱分析模塊，建立閘室結(jié)構(gòu)的三維空間模型進(jìn)行水化熱分析，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)吻熱分析，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)吻合，數(shù)據(jù)差異較小，仿真計(jì)算方法能夠反映實(shí)際工程的溫度變化及分布情況：并合，數(shù)據(jù)差異較小，仿真計(jì)算方法能夠反映實(shí)際工程的溫度變化及分布情況：并通過拉應(yīng)力比云圖，可以直觀地看出結(jié)構(gòu)在施工過程中哪些區(qū)域容易產(chǎn)生溫度裂通過拉應(yīng)力比云圖，可以直觀地看出結(jié)構(gòu)在施工過程中哪些區(qū)域容易產(chǎn)生溫度裂縫，以及裂縫的開展方向。縫，以及裂縫的開展方向。 該計(jì)算結(jié)果已被應(yīng)用于穎上船閘工程，為水工結(jié)構(gòu)大體積混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)該計(jì)算結(jié)果已被應(yīng)用于穎上船閘工程，為水工結(jié)構(gòu)大體積混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溫度控制提供了理論上的依