季凍地區(qū)大體積混凝土凍融破壞的數(shù)值模擬研究

李 妍，趙榮華，余航艇

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118

0 引言

混凝土大壩作為大體積混凝土[1]構(gòu)造的一種，具有大體積混凝土相應(yīng)的諸多特點(diǎn).如作為一種脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，大體積混凝土內(nèi)的應(yīng)力較低且均勻，耐久性良好和抵抗意外荷載的能力強(qiáng)，但由于其表面經(jīng)常暴露在水中或空氣中，一年內(nèi)溫度的大幅改變會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，又因?yàn)闃?gòu)造中鋼含量很低，結(jié)構(gòu)中拉應(yīng)力一般由自身承受，因此，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案中一般不允許存在拉應(yīng)力.然而，在施工和結(jié)構(gòu)使用的過程中，溫度變化經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成大體積混凝土建筑產(chǎn)生裂縫,并且混凝土水灰比不同，凍融破壞的程度也不一樣.我國(guó)有大半國(guó)土處于季凍地區(qū)，氣溫的交替變化會(huì)導(dǎo)致屢次凍融循環(huán)[2]，使混凝土大壩出現(xiàn)宏觀裂縫，并繼續(xù)擴(kuò)展從而嚴(yán)重影響混凝土大壩的剛度、強(qiáng)度以及整體穩(wěn)定性，所以研究高寒地區(qū)的混凝土大壩的凍融問題，具有重要而現(xiàn)實(shí)的意義.

1 國(guó)內(nèi)混凝土凍融的研究現(xiàn)狀以及影響混凝土抗凍性能的主要因素

1.1 國(guó)內(nèi)混凝土凍融的研究現(xiàn)狀

近幾十年我國(guó)開始對(duì)混凝土凍融破壞進(jìn)行研究,頡玉龍[3]對(duì)不同水灰比和含氣量[4]下的混凝土試件進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)，并運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行模擬對(duì)比分析.其研究結(jié)果表明,水灰比和含氣量不同，混凝土抗凍性能存在明顯差異，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同水灰比和含氣量下混凝土的抗凍性能皆下降.

周禹辛[5]對(duì)凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)，并運(yùn)用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬.研究結(jié)果表明,在相同情況下凍融循環(huán)次數(shù)越小，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高,動(dòng)態(tài)加載速率越小，混凝土抗凍性能越好.

牛荻濤等[6]人采用凍融試驗(yàn)測(cè)試嚴(yán)寒環(huán)境下鋼筋混凝土的抗凍性能指標(biāo).結(jié)果表明,采用高強(qiáng)度混凝土、提高養(yǎng)護(hù)條件和鋼纖維[7]的摻入均可增強(qiáng)混凝土的抗凍性能，且寒冷氣候下空氣中濕度越高，混凝土抗凍性能越好.

楊平等[8]人采用正交試驗(yàn)探究水膠比、漿集比和石子級(jí)配對(duì)透水混凝土抗凍性能的影響，最終得到凍融環(huán)境下透水混凝土中3種因素的最佳配合比參數(shù)，且探究結(jié)果表明靜水壓的破壞程度是影響混凝土抗凍性能的主要原因.

1.2 影響混凝土抗凍性能的主要因素

造成混凝土構(gòu)造凍融破壞的原因很多，據(jù)以往資料分析，對(duì)混凝土抗凍性有著顯著影響的一般是以下幾個(gè)因素[9]：

(1) 含氣量. 混凝土內(nèi)部的氣體含量是其抗凍性能強(qiáng)弱的決定性因素之一.這些細(xì)孔彼此不連接，但是在混凝土冷凍的初始階段可以減小毛細(xì)孔的靜壓，使壓力降低，然而由于小孔隙數(shù)量眾多，結(jié)冰的過程會(huì)受到相對(duì)阻礙.

(2) 混凝土的飽水狀態(tài). 混凝土孔隙中所含溶液的飽和狀態(tài)與防凍性能息息相關(guān)，該值稱為極端飽和度.一般混凝土處于完全飽和狀態(tài)時(shí)，其被冷凍產(chǎn)生的膨脹壓力最大.混凝土的保水狀態(tài)與其所處的位置及當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件有關(guān).

(3) 混凝土的受凍齡期. 混凝土所具備的抗凍性能與其年齡成正比.水泥在水化時(shí)的反應(yīng)越完全，混凝土強(qiáng)度越高，其抗膨脹性能越出色.

(4) 水泥品種. 水泥的品種也決定了其抗凍性能的強(qiáng)弱，一般而言，就目前很多測(cè)試得到的結(jié)果，硅酸鹽水泥具有良好的抗凍性.

(5) 外加劑及摻和料的影響. 諸如減水劑、引氣劑等外加劑加入混凝土內(nèi)均能有效地提高混凝土的抗凍性.

2 凍融的數(shù)值模擬

為深入探討一年中不同水灰比的大體積混凝土抗凍性能差異并驗(yàn)證溫度為凍融破壞的主要因素，利用目前國(guó)際上通用的有限元分析軟件ANSYS對(duì)吉林省吉林市的豐滿大壩進(jìn)行凍融破壞模擬.豐滿大壩坐落在松花江干流中游，是重要的水利工程.

2.1 數(shù)值模擬

本次建模選取豐滿大壩13號(hào)壩段為分析對(duì)象，左側(cè)為迎水面，壩頂20 m×20 m，壩底60 m×20 m，壩高80 m，水位高度70 m.選用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C 35(水灰比為0.46)、C 50(水灰比0.34)和C 65(水灰比為0.26).在模擬混凝土大壩的凍融分析時(shí)結(jié)合溫度效應(yīng)[10]的一些理念，確定大壩一年四季隨溫度變化而變化的邊界條件后，再定義混凝土單元類型，在定義混凝土和基巖的材料模型中，定義熱分析階段的材料參數(shù)為：導(dǎo)熱性為各向同性，密度為2 400，比熱容為1.04，得到大壩的有限元模型見圖1.

2.2 劃分網(wǎng)格

元素類型編號(hào)為solid 70 ,以0.5劃分邊長(zhǎng)，自由網(wǎng)格劃分后的圖形見圖2.

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

圖2 網(wǎng)格劃分模型Fig.2 Mesh generation model

圖3 對(duì)流條件Fig.3 Convection conditions

2.3 熱分析

首先給混凝土大壩模型所有選中的節(jié)點(diǎn)施加初始溫度10°，其次給混凝土大壩施加熱邊界條件，最后再給與空氣接觸的大壩表面和與水接觸的大壩表面施加對(duì)流條件,對(duì)流系數(shù)為3 000.施加對(duì)流條件時(shí)按每個(gè)月的平均氣溫施加.進(jìn)行熱分析后，可以查看溫度分布場(chǎng).對(duì)流條件圖見圖3.

2.4 靜力求解

選擇分析類型Structural，將熱單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元，單元類型變?yōu)镾OLID 185，設(shè)定單元的材料特性：DENS=2 400，EX=24 000，PRXY=0.2，ALPX=0.000 01.再給基底施加全約束，施加自重、靜水壓力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后可查看靜水壓力、自重作用下的應(yīng)力圖和形變圖，見圖4.

去除其他荷載，再讀入熱分析，作為結(jié)構(gòu)荷載施加到體上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后可以查看溫度作用下的應(yīng)力值.施加自重、靜水壓力和溫度，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后，可以查看相應(yīng)的應(yīng)力值.

2.5 模型結(jié)果分析

經(jīng)過熱分析和結(jié)構(gòu)分析后查看模擬結(jié)果，圖5～圖8為一年中C 35，C 50和C 65這3種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土大壩在溫度作用下的數(shù)值模擬結(jié)果與C 35強(qiáng)度等級(jí)的混凝土大壩在靜水壓力、自重和溫度作用下的應(yīng)力分布圖.

(a 1) 一月份C 35強(qiáng)度應(yīng)力分布(a 1) Stress distribution of C 35 in January

(a 4) 四月份C 35強(qiáng)度應(yīng)力分布(a 4) Stress distribution of C 35 in April

(a 7) 七月份C 35強(qiáng)度應(yīng)力分布(a 7) Stress distribution of C 35 in July

(a 10) 十月份C 35強(qiáng)度應(yīng)力分布(a 10) Stress distribution of C 35 in October

可以通過模型的顏色變化判斷應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值的變化，顏色由紅橙黃綠青藍(lán)依次變化，表明數(shù)值減小.由12個(gè)月的應(yīng)力圖對(duì)比可看出溫度越低，大壩表面所受的凍融破壞越明顯；隨著水灰比的減小，即混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，混凝土的凍融破壞越不明顯，且通過比較C 35等級(jí)的混凝土在溫度作用下的應(yīng)力圖與在靜水壓力、自重和溫度共同作用下的應(yīng)力圖，可以看出靜水壓力和自重對(duì)凍融破壞的影響很小，溫度是凍融破壞的主要因素；由一月份、二月份、十一月份和十二月份的應(yīng)力圖可以看出凍融破壞的部位主要集中在下游面.

3 結(jié)論

經(jīng)過查閱資料和文獻(xiàn)，針對(duì)大體積混凝土大壩凍融破壞問題進(jìn)行了有限元分析，通過運(yùn)用ANSYS軟件模擬不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土大壩在一年內(nèi)受溫度影響的情況，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著混凝土水灰比的減小，混凝土的抗凍能力提升.

(2) 靜水壓力和自重對(duì)凍融破壞的影響并不大，溫度是凍融破壞的主要因素.

(3) 大壩破壞部位主要集中在下游面的表面.

混凝土大壩在一年內(nèi)要承受多次凍融破壞，提高混凝土的抗凍性能非常必要.減小水灰比有助于增強(qiáng)混凝土的抗凍能力，混凝土大壩的下游面在設(shè)計(jì)時(shí)必須采用高強(qiáng)度混凝土，其他部位的設(shè)計(jì)也應(yīng)多采用高強(qiáng)度混凝土.由于有限元分析計(jì)算中存在一些不足，計(jì)算時(shí)考慮的元素較少，分析結(jié)果會(huì)存在一定偏差，應(yīng)通過具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元模擬的準(zhǔn)確性.