混凝土徐变系数研究：应力计算结果分析

为了有效分析考虑成熟度影响的徐变应力分布。本小节采用6.4.1小节说明的两种计算理论(方法1和方法2),对比分析是否考虑成熟度影响对于徐变应力所起的作用。

本小节依然选取强约束区3264.30m高程处的3个特征点作为研究对象,为了考察坝体施工及运行期间成熟度影响的徐变应力情况,特征点的温度长期历时变化曲线如图6.19所示。各特征点的第一主应力的短期、长期历时曲线如图6.20～图6.25所示,其中σ1表示第一主应力[方法1计算(未考虑成熟度影响)的第一主应力;方法2计算(考虑成熟度影响)的第一主应力],σt为混凝土抗拉强度,σ't为混凝土允许抗拉强度。

图6.19　坝高26.3m(高程3264.30m)水平截面特征点长期温度历时曲线

图6.20　特征点6第一主应力短期历时变化

图6.21　特征点6第一主应力长期历时变化

图6.22　特征点9第一主应力短期历时变化

(https://www.xing528.com)

图6.23　特征点9第一主应力长期历时变化

图6.24　特征点10第一主应力短期历时变化

图6.25　特征点10第一主应力长期历时变化

经过分析可以看出:

(1)大体积混凝土内部降温是一个漫长的过程,也是混凝土内部应力不断增长的过程。早期,内部混凝土为压应力,混凝土表面部分为拉应力;到了后期,表面部分为压应力,内部为拉应力。从图6.19和图6.20可以看出,仓面中心点(特征点6)在间歇期4d内受气温影响,应力变化规律同上、下游表面点,在上层混凝土浇筑后,受上层混凝土水化热温升影响,下层的仓面点变为内部点,因此在间歇期4d内各点表现为拉应力。随着特征点6由仓面点变为内部点,在随后的3.5d混凝土内部因水化热作用温度升高梯度很大,膨胀较多,由于外围混凝土约束,因此产生压应力。在龄期7.5d以后温度梯度较小,膨胀力度减小,随着后浇筑混凝土的升温膨胀,造成该点应力很快由压应力转变为拉应力。

(2)上、下游的表面与空气接触,温度升高较小,主要受外界气温影响,膨胀较小,表面内部的膨胀受到表面的约束,因而在表面产生拉应力。在间歇期4d后,受上层混凝土水化热温升影响,该点受外界气温影响减弱,如图6.22和图6.24所示。在运行期间,混凝土的内部温度降幅较大,收缩较多;而混凝土表面温度降幅较小,主要受气温影响,收缩较少,上、下游表面内部的收缩变形受到表面的约束,从而特征点9、特征点10产生压应力。而且由于弹性模量由小到大的变化,内部在后期产生的压应力增量远远超过了早期的拉应力,所以最终在上、下游表面混凝土内部产生了残余的压应力,并受外界气温影响而变化。

(3)考虑成熟度影响时,温度变化越大,同一时段的等效龄期和实际龄期之差越大,混凝土的弹性模量的计算值差异就较大,因此计算的最终应力值相差就较大,见6.4.4小节分析。仓面中心点(特征点6),浇筑温度为15.17℃,混凝土浇筑初期,温度升高极快,混凝土的温度很快超过参考温度20℃。这时等效龄期域所计算的瞬时弹性模量大于实际龄期域所计算的瞬时弹性模量,而施工初期的徐变较小,因此等效龄期域所计算的早期应力值都大于实际龄期域所计算的早期应力值。施工中后期的温度仍然较高,由于等效龄期域所计算的早、中期弹性模量较大,混凝土强度高,因此施工后期徐变较小,所以等效龄期域所计算的应力在中后期仍然增长较快,最终仓面中心的残余拉应力仍然较大,如图6.21所示。

(4)由于上、下游特征点的温度变幅很小并且相似,且低于参考温度20℃,因此,该两点的温度变化对于弹性模量的提高起到了减缓的作用,这时等效龄期域所计算的瞬时弹性模量小于实际龄期域所计算的瞬时弹性模量。因此,施工初期的徐变较大,故等效龄期域所计算的早期应力值都小于实际龄期域所计算的早期应力值,如图6.22和图6.24所示。由于施工及运行期间,混凝土的温度一直低于参考温度,等效龄期域弹性模量计算值小、增长慢,因此等效龄期域所计算的早期拉应力较小,所以后期压应力在抵消了早期的拉应力之后,等效龄期域所计算的最终压应力略微大于实际龄期域所计算的最终压应力,如图6.23和图6.25所示。

(5)通过以上对比分析,是否考虑成熟度影响的徐变应力场的计算结果有较大的差距。对于仓面中心点(特征点6),考虑成熟度影响的徐变应力最终的残余拉应力较不考虑成熟度影响的大23%左右。对于上、下游表面点(特征点9、特征点10)运行期间的压应力,考虑成熟度影响的徐变应力最终的残余压应力较不考虑成熟度影响的大15%左右。本节中强约束区是在春季浇筑,表面早期拉应力和运行期拉应力均有超过抗拉强度的现象,需进行表面保温。强约束区内部,在运行期水位施加前后(1800d)拉应力超过抗拉强度,需要进行早期通水冷却,降低水化热温度峰值,以利后期应力下降。