考慮溫濕場耦合應(yīng)力的襯砌濕養(yǎng)護(hù)最短時(shí)間確定

邱 崗,孫 明 明,薛 冰 寒,李 斌

(1.信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 信陽 464000; 2.鄭州大學(xué) 水利與交通學(xué)院,河南 鄭州 450001; 3.重大基礎(chǔ)設(shè)施檢測修復(fù)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450001; 4.水利與交通基礎(chǔ)設(shè)施安全防護(hù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450001; 5.黃河實(shí)驗(yàn)室(鄭州大學(xué)),河南 鄭州 450001)

0 引 言

襯砌屬于典型的薄壁水工結(jié)構(gòu),其厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長度和寬度。已有研究表明,干縮應(yīng)力是水工薄壁襯砌混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的重要原因[1]。在實(shí)際工程中,由于襯砌厚度很小,相對于閘墩、閘底板等結(jié)構(gòu),襯砌內(nèi)外溫差較小。溫度應(yīng)力并不是襯砌發(fā)生裂縫的主要原因。混凝土內(nèi)部濕度的傳遞性能低于溫度傳導(dǎo)性能,且因?yàn)橐r砌厚度小,中心點(diǎn)熱量聚集現(xiàn)象不明顯,而混凝土表面濕度不斷與外界進(jìn)行交換,因此襯砌中濕度梯度變化要大于溫度梯度變化,干縮應(yīng)力危害也要遠(yuǎn)大于溫度應(yīng)力[2]。

針對襯砌結(jié)構(gòu)干縮應(yīng)力問題,大量學(xué)者進(jìn)行了數(shù)值和理論研究。程大鵬[3]給出了濕度場和干縮應(yīng)力的差分算法,提高了濕度場求解效率。余俊等[4]推導(dǎo)了隧道干縮應(yīng)力的計(jì)算公式,以及干縮應(yīng)力對襯砌位移的影響機(jī)制。王潘繡等[5]針對薄壁渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了混凝土干縮應(yīng)力分析,明確了渡槽結(jié)構(gòu)干縮應(yīng)力損傷位置。高原等[6]以現(xiàn)澆混凝土圓柱為例,提出了干縮應(yīng)力計(jì)算方法并對混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。需要說明的是,在襯砌建筑澆筑過程中,雖然干縮應(yīng)力是主要病害因素,但是溫度應(yīng)力依然不可忽略。溫濕耦合成為混凝土澆筑過程中開裂分析的趨勢。李洋等[7]分析了溫度場和濕度場作用下襯砌收縮量和應(yīng)力變化規(guī)律。黃今等[8]對隧道襯砌混凝土耦合場研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)和分析,并指出了溫度場和濕度場耦合應(yīng)力分析的必要性。杜義超[9]采用有限元方法對橡膠混凝土襯砌的濕度場和溫度場進(jìn)行耦合分析,并驗(yàn)證了橡膠混凝土的抗裂能力。李萌[10]結(jié)合溫度場和濕度場的相互作用,分析了高溫高壓作用下襯砌內(nèi)考慮溫度影響的濕度擴(kuò)散規(guī)律。

雖然目前已經(jīng)提出相關(guān)理論和溫濕耦合方法,并得到了驗(yàn)證。但是對于溫濕耦合作用下襯砌養(yǎng)護(hù)極限時(shí)間的研究還不多見。理論上養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長越好,不僅隨著時(shí)間延長混凝土強(qiáng)度增加,而且可以避開溫度應(yīng)力峰值,減少耦合應(yīng)力極值出現(xiàn)時(shí)間,增加襯砌混凝土安全性。尤偉杰等[11]通過溫濕耦合計(jì)算,指出混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間對結(jié)構(gòu)安全性極為重要,停止養(yǎng)護(hù)后,混凝土約束應(yīng)力和開裂風(fēng)險(xiǎn)快速增大。但是對于大范圍襯砌,過長時(shí)間的養(yǎng)護(hù)會增加工程造價(jià),因此明確襯砌養(yǎng)護(hù)最短時(shí)間對于工程安全和造價(jià)控制非常必要。本文結(jié)合溫濕場耦合應(yīng)力計(jì)算方法,針對襯砌養(yǎng)護(hù)最短時(shí)間展開,以為大型襯砌工程施工養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 混凝土濕度場理論

1.1 濕度擴(kuò)散方程

混凝土中濕度擴(kuò)散方程如下[12-13]:

(1)

1.2 邊界條件初始條件

為求解濕度擴(kuò)散方程,計(jì)算混凝土濕度場,須知道擴(kuò)散方程的定解條件,即其初始濕度狀態(tài)與邊界條件[14]。

初始條件:

h(x,y,z,0)=h0(x,y,z)=const

(2)

式中:h0(x,y,z)為濕度常數(shù)。

第一類邊界條件:

h(x,y,z,t)=f(x,y,z,t)

(3)

式中:f(x,y,z,t)為位置(x,y,z)處混凝土在時(shí)刻t的濕度分布函數(shù)。

第二類邊界條件:

(4)

式中:n為混凝土表面法向,對于不進(jìn)行濕度交換的邊界條件,?h/?n=0。

第三類邊界條件:

(5)

式中:g為結(jié)構(gòu)外表面的水分交換系數(shù);hd為邊界相對濕度;he為外界介質(zhì)相對濕度。

1.3 計(jì)算參數(shù)選取

濕度擴(kuò)散系數(shù)D和水分交換系數(shù)g是濕度場計(jì)算的兩個(gè)重要系數(shù),因?yàn)闈穸葦U(kuò)散是一個(gè)復(fù)雜的過程,該系數(shù)隨著外界條件的改變而不斷改變,在計(jì)算干縮應(yīng)力時(shí)必須確定濕度擴(kuò)散系數(shù)和水分交換系數(shù)。

(1) 濕度擴(kuò)散系數(shù)D。混凝土結(jié)構(gòu)在濕度擴(kuò)散過程中,h和D之間的特定關(guān)系可用來表示其內(nèi)部含水量V對D的影響[15]。D可表示為[16]

(6)

(2) 表面水分交換系數(shù)g?；炷镣獗砻娴乃纸粨Q系數(shù)g隨外界環(huán)境因素變化而改變[17-18],Akita等[19]提出了g變化規(guī)律的計(jì)算公式:

(7)

式中:w/c為用百分?jǐn)?shù)表示的水灰比。

2 實(shí)例分析

南水北調(diào)中線工程包含很多輸水渠道工程,本章以南水北調(diào)中線一期工程總干渠沙河南-黃河南潮河段第五施工標(biāo)段渠道機(jī)械化襯砌施工為例,對大型引水渠道機(jī)械化襯砌施工進(jìn)行分析研究。襯砌采用襯砌機(jī)一次性成型,其尺寸為0.08 m×10 m×20 m(見圖1)。根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y料,施工期間平均風(fēng)速為3 m/s,各月份相對濕度值如表1所列,年均相對濕度為67%。襯砌采用C25混凝土,澆筑時(shí)間為3個(gè)月。

表1 實(shí)地平均相對濕度

圖1 襯砌方向示意

2.1 濕度場模型選取

選取滿足濕度場分析要求的足夠大基巖,其尺寸為:x方向20 m,y方向0.5 m,z方向40 m,計(jì)算模型如圖2所示。對于三維混凝土,應(yīng)采用三維熱實(shí)體單元SOLID70進(jìn)行濕度場分析,該單元適合進(jìn)行濕度-應(yīng)力分析[20]。假如模型包括實(shí)體傳遞結(jié)構(gòu)單元,可用SOLID45單元等效代替該單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。對襯砌進(jìn)行濕度場的仿真計(jì)算時(shí),計(jì)算時(shí)間取結(jié)束養(yǎng)護(hù)后的150 d。

圖2 襯砌有限元模型及結(jié)果

2.2 濕度場計(jì)算結(jié)果與分析

分別選取襯砌內(nèi)部中心點(diǎn)和上表面中心點(diǎn)作為典型點(diǎn),分析其濕養(yǎng)護(hù)結(jié)束后150 d內(nèi)的相對濕度變化情況。圖3為兩個(gè)典型點(diǎn)濕度變化歷時(shí)曲線,由圖3中可以看出:襯砌內(nèi)部相對濕度變化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上表面濕度變化,這是因?yàn)闈穸葦U(kuò)散系數(shù)很小,濕度在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散速率很慢[21],而濕度在上表面因?yàn)榕c空氣直接接觸,與空氣進(jìn)行濕度交換速度卻很快。上表面中心點(diǎn)處濕度在第20天基本與空氣濕度達(dá)到一致,而150 d內(nèi)襯砌內(nèi)部中心點(diǎn)相對濕度僅從1下降到0.842,襯砌內(nèi)部相對濕度下降速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面濕度降低速率。

圖3 不同位置相對濕度變化歷時(shí)曲線

2.3 干縮應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析

圖4為濕養(yǎng)護(hù)結(jié)束后150 d內(nèi)襯砌干縮應(yīng)力歷時(shí)變化曲線,由圖中可以看出在第79天,襯砌干縮應(yīng)力達(dá)到最大值(2.708 7 MPa),之后開始緩慢下降。

圖4 干縮應(yīng)力變化歷時(shí)曲線

干縮應(yīng)力值遠(yuǎn)大于溫度應(yīng)力值,而且襯砌混凝土后期干縮應(yīng)力變化速率要小于溫度應(yīng)力,這是因?yàn)橐r砌是典型薄壁結(jié)構(gòu),厚度很小,上表面面積很大,混凝土水化熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量尚未在內(nèi)部聚集,已經(jīng)通過與空氣接觸散熱完畢,溫度梯度較小;而襯砌在濕養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,上表面濕度迅速擴(kuò)散到空氣中,濕度降低,而濕度在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散十分緩慢,中心點(diǎn)濕度變化很小,濕度梯度較大,干縮應(yīng)力較大。在上表面濕度與空氣濕度達(dá)到一致后,隨著襯砌濕度在內(nèi)部逐漸進(jìn)行擴(kuò)散,濕度梯度減小,干縮應(yīng)力逐漸降低,由于濕度擴(kuò)散速率很慢,因此干縮應(yīng)力后期降低速率很慢。

3 襯砌最大應(yīng)力值位置和方向

3.1 干縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力最大值位置

溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理基本相同,都是溫度場和濕度場的梯度變化和混凝土變形而產(chǎn)生應(yīng)力[22],因?yàn)闇囟仍诨炷羶?nèi)部的傳導(dǎo)速度遠(yuǎn)大于濕度傳導(dǎo)速度,對于襯砌這種典型的薄壁結(jié)構(gòu),其溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力發(fā)生位置并不完全一致,研究兩種應(yīng)力出現(xiàn)位置對于預(yù)防溫度裂縫和干縮裂縫有很大意義。

經(jīng)過模擬各種工況發(fā)現(xiàn),同一工況下不同時(shí)間點(diǎn)襯砌最大溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力出現(xiàn)位置是不斷變化的。不同混凝土厚度下,襯砌溫度應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置坐標(biāo)為(5,0,0)、(8.75,0,0)、(9,0,0)、(5,0,20)、(0,0,10)和(10,0,10);不同澆筑溫度下,襯砌溫度應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置坐標(biāo)為(0.75,0,0)、(5,0,0)、(5.75,0,0)、(0,0,10)和(10,0,10)。由此可知:溫度應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)位置點(diǎn)為(5,0,0)、(5,0,20)、(0,0,10)和(10,0,10)。不同工況下干縮應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)位置較為統(tǒng)一,為(0,0.08,10)、(0.25,0.08,10)、(1.5,0.08,10)、(2,0.08,10)、(8,0.08,10)、(8.5,0.08,10)、(9.75,0.08,10)、(10,0.08,10)。

由以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,溫度應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)在襯砌底面4條邊界中心點(diǎn)附近,干縮應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)在襯砌上表面長邊中線位置(見圖5)。因?yàn)闇囟仍诨炷羶?nèi)傳導(dǎo)速度較快,且混凝土的厚度僅為8 cm,相對于混凝土長(20 m)和寬(10 m)基本可以忽略,因此混凝土溫度內(nèi)部聚集效應(yīng)遠(yuǎn)弱于外表面溫度擴(kuò)散效應(yīng)。襯砌混凝土在澆筑初期很快就與空氣完成溫度交換,混凝土內(nèi)部與表面溫度梯度較平穩(wěn),由溫度差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力較小。而混凝土底面不僅與地基進(jìn)行溫度交換,與混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度差,同時(shí)由于地基對混凝土底面變形的限制,制約了混凝土自身變形和徐變對溫度應(yīng)力的消弱作用,因此溫度應(yīng)力最大值出現(xiàn)在混凝土底面。又因?yàn)榈鼗鶎Φ酌孀冃渭s束效應(yīng)主要體現(xiàn)在底面4條邊界中心點(diǎn)上,因此襯砌各種工況下最大溫度應(yīng)力發(fā)生在底面4條邊界中心點(diǎn)附近。

圖5 襯砌底面溫度應(yīng)力最大值位置點(diǎn)

濕度在混凝土中的傳導(dǎo)速度相對于溫度要緩慢的多,混凝土中心濕度擴(kuò)散是一個(gè)十分漫長的過程,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部和外表面濕度差值較大,濕度場梯度較大。而且地基濕度擴(kuò)散系數(shù)為7.2×10-5m2/d,與混凝土的濕度擴(kuò)散系數(shù)相差不大,混凝土底面與地基相接觸時(shí)濕度擴(kuò)散效果不明顯,底面與內(nèi)部濕度差值較小,底面范圍內(nèi)濕度變化較平穩(wěn),濕度梯度值較小,因此混凝土底面的干縮變形較小,地基對混凝土底面約束效果不明顯。這些因素造成了襯砌混凝土底面干縮應(yīng)力小于上表面。而由于混凝土上表面長邊的濕度擴(kuò)散面積相對較大,導(dǎo)致干縮應(yīng)力最大值出現(xiàn)在長邊中線靠近邊界位置,呈對稱分布,如圖6所示。

圖6 襯砌上表面干縮應(yīng)力最大值位置點(diǎn)

綜合分析可知,襯砌溫度裂縫最有可能發(fā)生在底面。當(dāng)澆筑混凝土?xí)r,澆筑溫度過高或者外界處于降溫期時(shí),襯砌容易發(fā)生溫度裂縫,此時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)襯砌底面混凝土保護(hù)措施,如在底層布置溫度鋼筋等;當(dāng)外界環(huán)境干燥,濕度較低,襯砌容易發(fā)生干縮裂縫,此時(shí)應(yīng)延長襯砌上表面濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間,特殊情況下可在表面布置溫度鋼筋。

3.2 干縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力裂縫方向

在實(shí)際工程中要完全避免裂縫產(chǎn)生是很難的,因此不僅要采取一些列工程措施,更要在裂縫發(fā)生后抑制裂縫的擴(kuò)展,比如配置鋼筋等。所以研究溫度裂縫和干縮裂縫的開裂方向就尤其重要。

因?yàn)榛炷潦谴嘈圆牧?在3個(gè)主應(yīng)力中主要關(guān)心的是最大主應(yīng)力,即第一主應(yīng)力,通過ANSYS命令prvect可以提取混凝土模型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的方向,根據(jù)第一主應(yīng)力方向,就可以得到溫度裂縫和干縮裂縫方向。

本文選取的襯砌模型尺寸為0.08 m×10 m×20 m,因模型劃分單元格較多,為計(jì)算簡便,且溫度裂縫和干縮裂縫主要發(fā)生在襯砌表面,選取襯砌計(jì)算時(shí)段內(nèi)最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)為典型點(diǎn),并作為應(yīng)力方向研究對象。典型點(diǎn)的坐標(biāo)位置見圖5～6。

根據(jù)ANSYS模擬結(jié)果,提取各個(gè)典型點(diǎn)達(dá)到最大應(yīng)力值時(shí)應(yīng)力方向,如表2所列,表中數(shù)值為應(yīng)力與x軸、y軸和z軸夾角的余弦值。

表2 應(yīng)力最大值點(diǎn)矢量方向

由表2可以看出:襯砌底面寬邊典型點(diǎn)第一主應(yīng)力應(yīng)力方向與寬邊平行,指向x軸正向;襯砌底面長邊典型點(diǎn)第一主應(yīng)力應(yīng)力方向與長邊平行,指向z軸正向。綜合來說,襯砌最大溫度應(yīng)力方向與襯砌邊界平行(見圖7),當(dāng)抗拉強(qiáng)度小于混凝土溫度應(yīng)力時(shí),會產(chǎn)生垂直邊界的裂縫。因此為防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫,可在混凝土底面4條邊界上配置垂直邊界的溫度鋼筋。

圖7 溫度應(yīng)力最大值第一主應(yīng)力方向

相對于溫度應(yīng)力,干縮應(yīng)力的方向比較統(tǒng)一,均平行于襯砌長邊,指向z軸正向(見圖8),因?yàn)橐r砌厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于襯砌長和寬,襯砌四周邊界附近的混凝土節(jié)點(diǎn)既可以通過側(cè)面濕度交換產(chǎn)生濕度差帶動濕度擴(kuò)散,又可以通過上表面帶動濕度擴(kuò)散。而襯砌中間點(diǎn)混凝土因?yàn)殡x左右邊界距離較遠(yuǎn),濕度擴(kuò)散效用基本可忽略不計(jì),僅通過上表面帶動濕度擴(kuò)散,因此中心點(diǎn)濕度值較大。加之邊界附近濕度值最低,在上表面中線靠近邊界位置產(chǎn)生最大溫差,為最大干縮應(yīng)力值點(diǎn)。對于襯砌這種典型薄壁結(jié)構(gòu),干縮應(yīng)力的危害要遠(yuǎn)大于溫度應(yīng)力,因?yàn)楦煽s應(yīng)力最大值方向平行于襯砌長邊,容易產(chǎn)生橫向的干縮裂縫,因此布置溫度鋼筋時(shí),可增大襯砌縱向配筋率,抑制干縮裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展。

圖8 干縮應(yīng)力最大值應(yīng)力方向

由以上分析可知,溫度應(yīng)力最大值方向主要是平行于底面邊界,干縮應(yīng)力最大值方向主要是平行于襯砌上表面縱向,在實(shí)際工程中,為減小兩種應(yīng)力的破壞,可根據(jù)最大值應(yīng)力的方向?qū)嵤┫鄳?yīng)的工程措施,以減少溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力的危害。

4 襯砌濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間分析

襯砌澆筑完成后,一般覆蓋保溫材料并澆水進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù),在此時(shí)段內(nèi)混凝土可認(rèn)為處于飽和狀態(tài),不發(fā)生干縮應(yīng)力;當(dāng)停止?jié)耩B(yǎng)護(hù)后,表面濕度與空氣進(jìn)行濕度交換,混凝土內(nèi)部濕度開始向外擴(kuò)散,混凝土產(chǎn)生濕度差,產(chǎn)生干縮應(yīng)力。由此可知,濕養(yǎng)護(hù)結(jié)束時(shí)間點(diǎn)即混凝土襯砌干縮應(yīng)力發(fā)生時(shí)間。濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長,干縮應(yīng)力產(chǎn)生時(shí)間越晚,混凝土抗拉強(qiáng)度越大,安全系數(shù)越高,相應(yīng)投資越大;濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間越短,干縮應(yīng)力產(chǎn)生時(shí)間越早,混凝土抗拉強(qiáng)度越小,安全系數(shù)越低。因此濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間存在一個(gè)最小值,在養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,混凝土襯砌拉應(yīng)力最大值等于該時(shí)間點(diǎn)的混凝土抗拉強(qiáng)度,當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間小于該值時(shí),混凝土?xí)l(fā)生裂縫;養(yǎng)護(hù)時(shí)間大于該值且越大,混凝土安全系數(shù)越大。

4.1 襯砌耦合應(yīng)力最大值選取

襯砌濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間的確定關(guān)鍵在于干縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力耦合應(yīng)力最大值的計(jì)算。目前關(guān)于濕度場和溫度場耦合場計(jì)算比較復(fù)雜,同時(shí)在實(shí)際工程中為計(jì)算簡便,提高效率,本文采取同一時(shí)期襯砌上表面長邊干縮應(yīng)力最大值處的干縮應(yīng)力與溫度應(yīng)力之和作為該時(shí)期耦合應(yīng)力最大值參考值,理由如下:

(1) 對于襯砌薄壁結(jié)構(gòu),干縮應(yīng)力數(shù)值要遠(yuǎn)大于溫度應(yīng)力,因此選擇干縮應(yīng)力極值處耦合應(yīng)力作為耦合應(yīng)力最大值參考。

(2) 溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力均在襯砌長度方向的中間位置出現(xiàn)極值,由于襯砌厚度較小,相對襯砌長度可以忽略不計(jì),襯砌上表面長邊處溫度應(yīng)力局部極值與下表面長邊處溫度應(yīng)力整體極值在數(shù)值和方向上差別較小。因此該位置的耦合應(yīng)力極值與溫度應(yīng)力極值和干縮應(yīng)力極值之和較為接近。

(3) 干縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置不同,且方向并不一致,因此同時(shí)期溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力耦合應(yīng)力一定小于干縮應(yīng)力最大值與溫度應(yīng)力最大值之和。如果將干縮應(yīng)力最大值與溫度應(yīng)力最大值之和作為耦合應(yīng)力最大值參考值,在此工況下襯砌未發(fā)生裂縫破壞,那么實(shí)際情況下襯砌耦合應(yīng)力也不會發(fā)生裂縫破壞。

(4) 設(shè)干縮應(yīng)力值為σ1,溫度應(yīng)力為σ2,耦合應(yīng)力為σo,混凝土允許拉應(yīng)力為σt,在抗裂驗(yàn)算中取安全系數(shù)為k,Max表示應(yīng)力極值,可按下列公式驗(yàn)算襯砌抗裂性:

Maxσo≤Maxσ1+Maxσ2

(8)

kMaxσo≤σt

(9)

k>1

(10)

在實(shí)際工程驗(yàn)算中,因?yàn)楣こ棠M有一定的誤差,為了保證工程安全性,通常取一個(gè)大于1的安全系數(shù)k,則襯砌抗裂性公式可進(jìn)行以下變換:

kMaxσo≈Maxσ1+Maxσ2

(11)

Maxσ1+Maxσ2≤σt

(12)

由公式變換可知,用溫度應(yīng)力最大值和干縮應(yīng)力最大值之和作為耦合應(yīng)力最大值參考值,相當(dāng)于在實(shí)際工況的基礎(chǔ)上取了一個(gè)安全系數(shù),可以彌補(bǔ)工程模擬與實(shí)際情況的誤差,安全性更高,更符合實(shí)際工程情況。

4.2 襯砌濕養(yǎng)護(hù)最短時(shí)間

因?yàn)橐r砌結(jié)構(gòu)是厚度相比長度和寬度可以忽略不計(jì)的薄壁結(jié)構(gòu),襯砌干縮應(yīng)力遠(yuǎn)大于襯砌溫度應(yīng)力,在襯砌濕養(yǎng)護(hù)過程中襯砌濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長,最大干縮應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間就越往后,對應(yīng)的襯砌允許抗拉強(qiáng)度就越大,襯砌就越安全。

為確定襯砌混凝土允許抗拉強(qiáng)度,需要確定襯砌混凝土28 d齡期的抗壓強(qiáng)度,對于沒有實(shí)測資料的混凝土,通常采用經(jīng)驗(yàn)公式表示,即:

(13)

圖9 襯砌混凝土允許抗拉強(qiáng)度

圖10為澆筑溫度為15 ℃時(shí),混凝土最大溫度應(yīng)力150 d內(nèi)歷時(shí)變化曲線,可以看出,襯砌在第4天溫度應(yīng)力達(dá)到最大值,為0.422 MPa,澆筑完成后35 d附近襯砌水化熱反應(yīng)已經(jīng)完成,襯砌溫度場溫度場穩(wěn)定,殘余應(yīng)力為0.05 MPa。

圖10 襯砌混凝土最大溫度應(yīng)力值歷時(shí)曲線

圖11 實(shí)際干縮應(yīng)力和允許干縮應(yīng)力對比

表3為第48～71天實(shí)際干縮應(yīng)力和允許干縮應(yīng)力值具體數(shù)值,由表中可以看出,在第58天實(shí)際干縮應(yīng)力與允許干縮應(yīng)力差值達(dá)到最大(0.026 35 MPa),此時(shí)襯砌最為危險(xiǎn),容易發(fā)生裂縫。因此為防止裂縫的發(fā)生,襯砌澆筑完成后需要進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù),延后實(shí)際干縮應(yīng)力的出現(xiàn)時(shí)間。第58天襯砌干縮應(yīng)力為2.675 MPa,與該應(yīng)力值最為接近的允許干縮應(yīng)力為2.675 6 MPa(64 d)。為防止襯砌裂縫,可在襯砌澆筑初期濕養(yǎng)護(hù),將第58天最危險(xiǎn)應(yīng)力延后至第64天,濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間為至少6 d。圖12為濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間為6 d時(shí),實(shí)際干縮應(yīng)力與允許干縮應(yīng)力對比情況。從圖中可以看出,襯砌干縮應(yīng)力完全在允許干縮應(yīng)力包絡(luò)線范圍內(nèi),兩種應(yīng)力曲線在第64天相切,滿足襯砌防裂需求。由圖10可知,混凝土主要水化熱反應(yīng)主要發(fā)生在第3～5天,且襯砌混凝土因?yàn)楸砻娣e很大,厚度很薄,表面濕養(yǎng)護(hù)的水分能夠擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部,滿足整個(gè)混凝土水化熱反應(yīng)需水。因此濕養(yǎng)護(hù)6 d能夠滿足襯砌水化熱反應(yīng)需水要求。

表3 實(shí)際干縮應(yīng)力和允許干縮應(yīng)力值具體數(shù)值

圖12 濕養(yǎng)護(hù)6 d后實(shí)際干縮應(yīng)力和允許干縮應(yīng)力對比

5 結(jié) 論

本文結(jié)合有限元方法,得到了襯砌結(jié)構(gòu)干縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力的變化趨勢、極值位置和方向。結(jié)合簡易溫濕場耦合應(yīng)力計(jì)算方法給出了襯砌結(jié)果最低養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

(1) 襯砌結(jié)構(gòu)中干縮應(yīng)力危害要大于溫度應(yīng)力,因此襯砌結(jié)構(gòu)的濕養(yǎng)護(hù)在工程中是必需的。

(2) 襯砌結(jié)構(gòu)中溫度應(yīng)力極值一般出現(xiàn)在襯砌底面長邊和短邊中心位置,方向平行于襯砌切割方向;干縮應(yīng)力極值一般出現(xiàn)在襯砌表明的長邊中心線位置,方向平行于長邊切割方向。

(3) 襯砌濕養(yǎng)護(hù)可以延遲耦合應(yīng)力極值出現(xiàn)時(shí)間,提高襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。對于本文案例,濕養(yǎng)護(hù)至少養(yǎng)護(hù)6 d才能保證襯砌結(jié)構(gòu)安全。