CN113591194B - 大体积混凝土允许最高温度的动态调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大体积混凝土允许最高温度的动态调整方法，即：A，建立大体积混凝土各个高程应力与温度过程线之间的关系；B，求解达到温度峰值的允许时间；C、求解任意高程情况下的允许最高温度。本发明在确定大体积混凝土温控标准时不仅考虑各高程距离建基面的高度，还考虑各高程混凝土内部的应力，即各高程浇筑温度、允许的最高温度、到达温度峰值的时间之间的关系。本发明在保障施工安全的同时最大限度的节约施工费用。

Description

大体积混凝土允许最高温度的动态调整方法
技术领域
本发明涉及一种动态调整大体积混凝土允许最高温度的方法，本发明属于水利水电工程技术领域。
背景技术
目前，许多水工结构设计规范中，关于大体积混凝土温度控制的条文仅规定了基础约束区(即强约束区和弱约束区)混凝土的允许温差，即距离建基面h高度范围内混凝土内部的最高温度和最低温度之差ΔT。混凝土重力坝设计规范SL319-2005又规定了基础温差，即距离建基面0.4L(L为浇筑块长边尺寸)高度的基础约束区内混凝土的最高温度和该部位稳定温度之差。在工程设计时，设计人员通常按照设计规范进行设计，使混凝土内部的基础温差小于允许温差，如表1设计规范给出了不同高度、不同长度的大体积混凝土允许温差。
表1基础约束区混凝土允许的温差ΔT(℃)
但是，对于本领域技术人员来说，大家普遍认为在确定大体积混凝土内部允许的最高温度时不能仅仅按照设计规范进行设计，不能仅仅考虑基础约束区距离建基面的高度h，还应该考虑约束区的应力。因为控制大体积混凝土的温度的目的是防止混凝土产生温度裂缝，而混凝土产生温度裂缝的原因是混凝土内部产生的拉应力大于混凝土抗拉强度，导致产生裂缝。
而且，有限元计算结果也表明，当坝体底宽较大时，约束区内不同高程，其最高温度、应力相差较大，远离建基面混凝土的允许温差可以进一步放宽。例如，位于西藏自治区山南地区桑日县境内的大古水水电站，是雅鲁藏布江中游桑日县至加查县峡谷段的第二级电站，其上游距规划开发的巴玉水电站约8km，下游距规划开发的街需水电站和在建的藏木水电站分别约7km和18km。以该水电站的温控计算结果为例，该水电站距离建基面不同高程的混凝土内部的最高温度和最大应力如表2所示。大古水电站基建面附近稳定温度在9℃左右，距离建基面10m处混凝土最高温度略大于距离建基面3m处混凝土最高温度，但是，距离建基面10m处的混凝土应力明显小于距离建基面3m处的混凝土。由此可见，对于大体积混凝土工程而言，混凝土内部允许的最高温度与混凝土内部的应力是有关系的！
表2不同高度温度和顺河向应力峰值
高度/m 1.0 2.0 3.0 5.0 10.0 15.0 25.0 35.0 45.0
最高温度/℃ 24.32 21.11 20.55 21.39 21.17 20.49 17.11 17.5 22.09
最大应力/MPa 1.02 0.92 0.93 0.91 0.75 0.55 0.12 -0.02 0.20
大体积混凝土内部温度变化过程为先温升后温降。温升阶段形成压应力，温度降低阶段形成拉应力；温升阶段的压应力一般小于温降阶段形成的拉应力，故大体积混凝土达到稳定温度时往往内部表现为拉应力。目前的设计规范仅规定了允许温差和基础温差，而未建立浇筑温度和最高温度的关系。当最高温度和混凝土稳定温度一致时，混凝土达到稳定温度时候的应力和混凝土的浇筑温度密切相关，最高温度一定时，混凝土浇筑温度越低，温升阶段形成的压应力越大，混凝土达到稳定温度时拉应力越小。
故，在大体积混凝土工程中，在设计混凝土浇筑温度时，不仅要考虑允许温差，还需要考虑允许的最高温度；而，不同高程，允许的最高温度应该是不同的。
发明内容
鉴于目前设计规范的不足，本发明的目的是提供一种大体积混凝土允许最高温度的动态调整方法。该方法在确定大体积混凝土允许最高温度时，不仅考虑各高程距离建基面的高度，还考虑各高程混凝土内部的应力，即各高程应力与浇筑温度、允许的最高温度、到达最高温度的时间之间的关系。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种大体积混凝土允许最高温度的动态调整方法，它包括如下内容：
A、建立大体积混凝土各个高程应力σ与温度过程线之间的关系：
其中：T(t，T(h)max,Tp,tmax,Tf,tf)为温度发展过程；Tp为浇筑温度；T(h)max为各个高程温度峰值；tmax为到达温度峰值的时间；Tf为最低温度，tf为到达最低温度的时间，t为时间，h为与建基面的距离，Cr为徐变影响系数；α为混凝土线膨胀系；
其中，Tp、Tf和tf根据设计取值，为已知条件；Cr为徐变影响系数，可参考规范取值；
其中，k(h)为一个与高程相关的系数，其随浇筑高度的不同而变化，见下表：
表 系数k(h)随高度变化表
高度(m) 1.65 2.2 2.75 3.85 5.5 7.7 10.45 15.95
k(h) 1 0.99 0.97 0.93 0.87 0.79 0.71 0.56
当混凝土内部的温升、温降控制曲线为直线时，大体积混凝土各个高程应力σ与温度过程线之间的关系为：
其中：α为混凝土线膨胀系数，根据试验取值，为已知条件；E为弹性模量终值，a和b为混凝土弹性模量发展参数；
B、求解达到温度峰值的允许时间tmax
其中：σtf为到达最低温度时允许的拉应力，T(1.65)max为设计规范规定的距离建基面1.65米处混凝土允许最高温度；
C、求解任意高程情况下的允许最高温度T(h)max
本发明在确定大体积混凝土允许最高温度时，不仅考虑各高程距离建基面的高度，还考虑各高程混凝土内部的应力，即各高程浇筑温度、允许的最高温度、到达温度峰值的时间之间的关系。本发明在保障施工安全的同时最大限度的节约施工费用。
附图说明
图1是本发明大体积混凝土温控标准动态调整方法流程图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。
中华人民共和国水利行业标准(SL319-2005)《混凝土重力坝设计规范规定》规定混凝土基础温差应力的计算方法为：
其中：Cr为徐变影响系数，缺乏资料时，可取0.5；R为约束系数；Ec为混凝土弹性模量；μ为混凝土破泊松比；α为混凝土线膨胀系数；Tp为混凝土浇筑温度；Tf为内部混凝土最低温度。
混凝土弹性模量浇筑后是不断发展的，该规范并没有详细考虑混凝土弹性模量发展的规律，也没考虑混凝土温度变化的过程，如果考虑混凝土弹性模量发展规律，并且将约束系数细化成与高程相关的函数(同时将泊松比影响并入该函数中)，则得到：
A、建立大体积混凝土各个高程应力σ与温度过程线之间的关系：
其中：T(t,T(h)max,Tp,tmax,Tf,tf)为温度发展过程；Tp为浇筑温度；T(h)max为各个高程温度峰值；tmax为到达温度峰值的时间；Tf为最低温度，tf为到达最低温度的时间，k(h)为一个与高程相关的系数，t为时间，h为与建基面的距离；α为混凝土线膨胀系；
Tp、Tf和tf根据设计取值为已知条件，Cr为徐变影响系数，可参考规范取值。
T(t,T(h)max,Tp,tmax,Tf,tf)有多种表达方式。一般而言，弹性模量的发展为指数形式。由于目前巨型工程一般采取智能温控的形式，温升--温降过程曲线可以调控，当温升、温降控制曲线为直线时，公式(1)转变为公式(2)：
其中：α为线膨胀系数，根据试验取值为已知条件；E为弹性模量终值，a和b为混凝土材料性能系数；
其中，k(h)为系数，其随浇筑高度而变化，见下表：
表 系数k随高度变化表
高度(m) 1.65 2.2 2.75 3.85 5.5 7.7 10.45 15.95
k(h) 1 0.99 0.97 0.93 0.87 0.79 0.71 0.56
B、求解达到温度峰值的允许时间tmax
其中：σtf为到达最低温度时允许的拉应力，T(1.65)max为设计规范规定的距离建基面1.65米处混凝土允许最高温度。
C、求解任意高程情况下的允许最高温度T(h)max
下面举例说明，系数k(h)的取值方法：
工况1：浇筑温度按15℃考虑，基础温度按13℃考虑，外界温度按8℃考虑模型上下游面散热，地面散热，其余面绝热，表面放热系数为250kJ/m2·d·℃。进行一期和二期通水冷却，水管间距1.5m×1.5m，通水水温9℃，目标温度8℃，一期通水时间为龄期0-20d，二期为80-170d。混凝土绝热温升按28℃考虑，半熟龄期为4d；弹性模型为30Gpa，a＝0.4，b＝1.0。
研究结果表明，距离建基面1.65m处混凝土应力最大，小于1.65m处混凝土由于基础导热作用导致最高温度较低，最大应力反而有所降低。根据计算结果，得到以下规律：
表4各计算工况说明表
距离建基面高度h(m) 应力σh(MPa) 最高温度Tmax(℃)
1.65 2.23 27.72
2.2 2.21 28.26
2.75 2.17 28.36
3.85 2.07 28.38
5.5 1.93 28.38
7.7 1.76 28.38
10.45 1.56 28.38
15.95 1.19 28.38
根据有限元应力计算结果，带入公式(2)，很容易求解出各个高程的k(h)值。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种大体积混凝土允许最高温度的动态调整方法，其特征在于：它包括如下内容：
A、建立大体积混凝土各个高程应力σ与温度过程线之间的关系：
其中：T(t,T(h)max,Tp,tmax,Tf,tf)为温度发展过程；Tp为浇筑温度；T(h)max为各个高程温度峰值；tmax为到达温度峰值的时间；Tf为最低温度，tf为到达最低温度的时间，t为时间，h为与建基面的距离，Cr为徐变影响系数；α为混凝土线膨胀系；
其中，Tp、Tf和tf根据设计取值，为已知条件；Cr为徐变影响系数，可参考规范取值；
其中，k(h)为一个与高程相关的系数，其随浇筑高度的不同而变化，见下表：
表系数k(h)随高度变化表
高度(m) 1.65 2.2 2.75 3.85 5.5 7.7 10.45 15.95 k(h) 1 0.99 0.97 0.93 0.87 0.79 0.71 0.56
当混凝土内部的温升、温降控制曲线为直线时，大体积混凝土各个高程应力σ与温度过程线之间的关系为：
其中：α为混凝土线膨胀系数，根据试验取值，为已知条件；E为弹性模量终值，a和b为混凝土弹性模量发展参数；
B、求解达到温度峰值的允许时间tmax
其中：σtf为到达最低温度时允许的拉应力，T(1.65)max为设计规范规定的距离建基面1.65米处混凝土允许最高温度；
C、求解任意高程情况下的允许最高温度T(h)max
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