考虑水化度影响的混凝土面板温度裂缝数值分析

摘要

混凝土面板作为面板堆石坝的防渗结构，长度较长，宽度较小，而厚度很小，是一块长条形薄板，受温度影响剧烈。面板结构的早期裂缝问题在国内外的工程中都是普遍存在的，据统计，混凝土面板结构中产生的裂缝只有20%源于荷载，另外80%的裂缝是由于温度、收缩引起的。因此，开展混凝土面板温度裂缝的研究有十分重要的意义。目前，关于面板坝混凝土面板的温度场及温度应力的研究，主要认为混凝土绝热温升是时间的函数，并未考虑温度对面板水化反应速率及其物理性能的影响。所以，在研究混凝土面板施工期因温度作用而产生的裂缝问题时，面板堆石坝的温度场与应力场的精确计算也有重要的意义。 首先，本文基于热传导基本理论，考虑水化度、等效龄期的影响，开发了用于混凝土温度场及温度应力的ABAQUS用户子程序，并通过三个算例（混凝土绝热温升、混凝土温度场、混凝土温度应力）对子程序进行了验证。结果显示，绝热条件下，混凝土绝热温升数值解与理论值基本一致；自然放热情况下，温度场与温度应力数值解与理论值规律一致且误差较小，证明子程序是合理可行的。 其次，通过开发的温度场及温度应力子程序，对某面板堆石坝的温度场及应力场进行了有限元模拟，研究了三种工况下（传统方法模型即生热过程仅仅是时间的函数模型、考虑水化度影响的生热速率公式模型、引入等效龄期，考虑早期参数变化的模型）混凝土面板的温度、应力变化规律及面板浇筑后热学参数的温度.时间变化历程。研究结果表明，考虑水化度及热学参数影响后能较为真实的反映面板浇筑后的温度变化，与传统模型方案比较，由于浇筑早期面板的导热系数比较大所以温升较快，后由于水化度的影响，降温过程比没有考虑水化度影响的方案要快；面板热学参数变化结果可以看出，面板各个结点的等效时间比计算时间要大但各个结点的等效时间是不相同的；前期导热系数比较大随后很快降低趋于一个定值；面板顺坡向温度应力规律表现为先有一段很小的压应力后产生拉应力并迅速增大最后随外界气温变化而变化，且中间节点应力比表面点和底面点大。 最后，基于温度场计算结果的基础上，采用扩展有限元法，考虑温度荷载对混凝土面板进行了开裂数值分析，得出了在无预制裂纹情况下的开裂结果。结果显示，混凝土面板浇筑后的温降过程中容易产生较大的拉应力，从而使面板产生裂缝，生成的裂缝多为水平裂缝且贯穿面板表面，并在面板厚度方向发生扩展。本文研究发现，混凝土面板早期热学参数变化对温度场计算有影响，可为面板堆石坝温度场与应力场的精确计算提供一种思路，同时可为面板开裂数值模拟提供参考。

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