2014-学报12期【四校】12月26日

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斑谭
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1 水利学报 2014 年 12 月 SHUILI XUEBAO 第 45 卷第 12 期文章编号 : (2014) 现场浇筑大坝混凝土研究 1,2, 管俊峰, 李庆斌 2, 吴智敏 4, 周绍武 (1. 华北水利水电大学土木与交通学院, 河南郑州 011; 2. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 ;. 大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室, 辽宁大连 ;4. 中国长江三峡集团公司, 北京 10008) 摘要 : 利用我国西南部某特高拱坝施工现场的拌合楼, 浇筑成型骨料最大粒径 150 mm 的大坝混凝土楔入劈拉试件, 试件尺寸分别为 mm mm mm mm 1000 mm mm 和 mm mm mm 通过试验获得现场浇筑大坝混凝土试件的起裂荷载, 进而由有限元计算得到其值, 分析了龄期变化对的影响规律, 给出了随试件尺寸的变化规律结果表明, 通过现场浇筑试件, 得到大坝混凝土的, 能够真实反映大坝的实际断裂性能现场浇筑大坝混凝土的随着龄期增加而增加,180 d 龄期的现场浇筑大坝混凝土的在试件有效高度 ~ mm 范围内不存在明显的尺寸效应关键词 : 现场浇筑 ; 大坝混凝土 ; 真实断裂参数 ; ; 试件龄期 ; 试件尺寸中图分类号 :TV1;TV41 文献标识码 :A doi:10.124/j.cnki.slxb 研究背景 [1] 在我国西南部, 已建在建和待建有多座特高混凝土拱坝, 其工程规模列世界前茅, 且地质条 [2-4] 件复杂, 工程难度大裂缝问题是关乎特高拱坝正常运行的关键问题之一, 而研究全级配大坝混 [5-6] 凝土自身的真实断裂性能, 是正确进行拱坝裂缝稳定性分析的重要依据直接浇筑成型全级配大坝混凝土试件较为困难, 以往一般以小尺寸湿筛混凝土试件代替湿筛混凝土内部组份与大坝混凝土相比已发生较大变化, 虽然其断裂参数通过修正可近似作为大坝混凝土的断裂参数使用, 但存在局限性对大坝钻芯取样可较为客观地得到大坝混凝土的断裂参数, 但是取芯试件的尺寸与数量会受到限制也有一些学者在实验室浇筑成型大坝混凝土试件, 但实验室条件下浇筑成型大尺寸或较多数量试件时, 往往不能一次完成, 需分批次浇筑, 则其试件的均匀性与骨料随机性与一次成型的试件存在差别因此, 若能利用施工现场拌合楼在现场浇筑成型试件, 可使试件的代表性均匀性和骨料随机性等都与大坝相同, 且工地拌合楼的超大搅拌与生产能力能够保证所有试件一次浇筑成型文献 [7] 介绍了现场浇筑大坝混凝土试件, 进而取得大坝混凝土断裂参数的方法与流程文献 [8-14] 的混凝土断裂试验研究都表明, 混凝土断裂达到峰值荷载前存在裂缝起裂及裂缝扩展过程, 与起裂荷载相对应的应力强度因子称为 K ini [9,12] 基于的概念, [15-20] [15] 学者们对混凝土断裂问题进行了大量研究, Xu 等基于, 分析了混凝土断裂过收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金重点资助项目 (51900); 国家自然科学基金资助项目 ( ); 海岸和近海工程国家重点实验室基金项目 (LP1211) 作者简介 : 管俊峰 (1980-), 男, 河南许昌人, 副教授, 博士, 主要从事水工混凝土材料与结构研究 shuaipipi88@126.com 通讯作者 : 李庆斌 (1964-), 男, 河南周口人, 教授, 博士, 主要从事混凝土材料与结构基本理论研究 qingbinli@tsinghua.edu.cn 1487

2 16 程区长度的变化规律李庆斌等提出了由峰值荷载确定的理论方法吴智敏等 20 管俊峰等将作为裂缝扩展准则对混凝土裂缝扩展的全过程进行了数值分析目前 21 混凝土准则已被列入水工混凝土断裂试验规程 DL/T 鉴于特高拱坝工程裂缝问题的重要性可将作为大坝的裂缝预警判别准则而获取大坝的真实值是合理准确分析特高拱坝工程裂缝稳定性的重要前提条件之一然而目前对于大坝混凝土起裂断裂韧度的研究还较少进行特别是采用现场浇筑方式获取大坝混凝土的研究还未见相关报道本文通过我国西南部某特高混凝土拱坝施工现场的拌合楼系统生产混凝土拌合物现场浇筑成型全级配大坝混凝土试件通过楔入劈拉法试验结合有限元计算得到各试件的值 K ini 研究龄期变化对现场浇筑大坝混凝土 K ini 的影响规律分析现场浇筑大坝混凝土的 K ini 随试件尺寸的变化规律 2 试验研究 2.1 现场浇筑本文试验所用试件在西南部某特高拱坝施工现场浇筑完成试件尺寸分别为 mm mm mm mm mm mm mm mm mm 骨料最大粒径为 150 mm 采用大坝拌合楼生产的混凝土一次浇筑成型所有试件使得试件的代表性均匀性骨料随 7 机性等方面都与大坝相同文献 7 给出了现场浇筑大坝混凝土以及获取其断裂参数的流程图如图 1 所示图1 2.2 材料性能采用现场浇筑获取大坝混凝土断裂参数流程 7 大坝混凝土配合比见表 d 设计强度等级为 C40 水泥为 PMH42.5 中热硅酸盐水泥粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰粗骨料为斑状玄武岩碎石细骨料为灰岩人工砂水为自来水减水剂采用缓凝高效减水剂 JM-ⅡC 引气剂采用 ZB-1G 混凝土含气为 5.0 % 6.0 % 表1 设计强度等级 C 水胶比 0.41 粉煤灰掺量/% 5 单位 kg/cm 大坝混凝土的配合比人工石子粒径/mm 砂率/% 25 水泥粉煤灰人工砂水减水剂引气剂 ~ ~ ~ ~ 试件模具由工地金属结构加工场与木材加工场生产加工在该特高拱坝下游的水垫塘进行支模试件的浇筑采用施工现场拌合楼系统出料与同时段浇筑的大坝混凝土同条件生产运输与养护采用高空揽机吊运吊罐的方式运输混凝土拌合物至支模现场约 8h 浇筑完成所有试件及伴随试块所用混凝土拌合物共计 7 m 左右采用 mm mm mm 的立方体伴随试块测试力学特性抗压试验与弹性模量试验时对试块进行了减磨处理实测试件的力学性能见表 2 2. 试验试件本文大坝混凝土试件尺寸等相关信息列入表 2 设计 D D1000 D1200 共个系列的楔入劈拉试件其中 D 系列分为 28 d 龄期 90 d 龄期和 180 d 龄期组 D1000 与 D1200 系 1488

3 表 2 大坝混凝土试件尺寸及材料力学性能试件编号试件数量试件有效高度 H/mm 试件宽度 W/mm 试件厚度 D/mm 初始缝长 a0/mm 抗压强度 fc/mpa 劈裂抗拉强度 ft/mpa 弹性模量 E/GPa 试件龄期 /d D D D D D 列试件龄期都为 180 d 各试件的韧带高度 H 1 满足大于倍骨料最大粒径试件初始缝高比 a 0 /H 为 0.40 本文试验大坝混凝土楔入劈拉试件的几何形状示意见图 2 图 2 大坝混凝土楔入劈拉试件几何形状图试验加载 2.4 试验加载大坝混凝土楔入劈拉试件的试验在 kn 微机控制液压伺服试验机上进行由 IMC 数据采集系统记录全部数据为保证试验过程中试件的稳定性, 本文试验采用双线支撑形式, 设计支座与夹具传到试件上的竖向荷载都位于固定的距试件中心 65 mm 处, 来消除竖向外荷载 P 产生的附加弯矩对试验结果的影响 ( 如图所示 ) 通过楔形加载块和传力板将较小的竖向外荷载 P 转化成较大的水平劈拉力 P h, 其转化关系为 : P h = P 2tanθ 式中 :P 为竖向外荷载 ; P h 为水平外荷载 ;θ 为楔形角, 本文取 θ=15 (1) 试验结果分析起裂荷载 P ini 的合理确定是准确计算试件 K ini 的关键, 本文采用目前较为常用的 [21-24] 为电阻应变片法测试起裂荷载混凝土开裂后, 缝端两侧混凝土的应变能得到释放, 应变值出现回滞, 在预制缝端对称粘贴应变片, 通过应变回滞记录起裂荷载图 4 为试验实测典型荷载 - 应变 (P-ε) 曲线由图 4 可见, 起裂前的混凝土处于弹性变形阶段, 应变片测得的 P-ε 关系近似为线性 ; 起裂后混凝土弹性应变能得到释放, 则 P-ε 曲线出现回滞, 回滞点即为起裂点考虑到大坝混凝土在初始切口附近可能分布大骨料, 会影响第一排应变片测值, 则在试件初始切口尖端延长线两侧各水平测点处分别粘贴应变片通过各排应变片实测值的比较, 来校核判定各试件的起裂荷载实测起裂荷载 P h, ini ( 水平分力 ) 列入表其中 D-180- 试件运输受损, 不计入统计本文采用有限元软件 ANSYS, 以初始裂缝长度 a 0 与实测起裂荷载 P h, ini 计算各个试件的起裂断裂图 4 D-90-2 试件的荷载 - 应变曲线 1489

4 韧度 K ini 为模拟裂缝尖端的应力奇异性, 在裂缝尖端位置设置奇异点, 裂缝尖端单元采用退化奇异单元, 如图 5 所示泊松比与混凝土密度分别取大坝混凝土材料试验实测值 0.18 与 2 66 kg/m 其 [25] 他参数取值取本文试验实测值, 应力条件假设为平面应力状态有限元法计算的 K ini 列入表表坝混凝土试件起裂荷载及试件编号起裂荷载 Ph,ini/kN K ini /(MPa m 1/2 ) K ini /(MPa m 1/2 ) ( 有限元法 ) ( 规程公式法 ) 试件编号起裂荷载 Ph,ini/kN K ini /(MPa m 1/2 ) ( 有限元法 ) K ini /(MPa m 1/2 ) ( 规程公式法 ) D D D D D D D D D D D D D D D 图 5 有限元模型中的裂缝尖端奇异单元及试件裂缝起裂水工混凝土断裂试验规程 (DL/T ) 中给出的标准楔入劈拉试件的应力强度因子公式如下 : K =.675P [ ( V ) ] (1) D H ( 1 - V ) 2 式中, 计算 K ini 时, 取 P=P h,ini,v=a 0 /H 由 DL/T 中公式计算的 K ini 也列入表中由表的计算结果比较发现, 规程公式法与有限元法的计算结果较为接近, 表明规程公式也适用于大尺寸大坝混凝土试件 K ini 的计算以下采用有限元法计算结果进行规律性分析以相同试件尺寸 ( 试件有效高度 H= mm) 的 D-28 D-90 D-180 系列试件为研究对象, 发现随着龄期的增加, K ini 呈逐渐增加的趋势 ( 如图 6 所示 ) 其与试件强度随龄期增加而增加的规律基本一致, 28 d 龄期 K ini 为 MPa m 1/2, 90 d 龄期为 1.08 MPa m 1/2,180 d 龄期为 MPa m 1/2 以相同试件龄期 (180 d 龄期 ) 的 D-180 D D 系列试件为研究对象, 发现起 1490

5 裂断裂韧度 K ini 随试件尺寸的增加呈现小幅波动, 但变化的幅度较小, 基本可视为常数变化 ( 如图 7 所示 ) 试件有效高度和 mm 对应的 K ini 依次为和 1.17 MPa m 1/2 整体上看, 在试件有效高度 H= ~ mm 范围内, 值不存在明显的尺寸效应图 6 K ini 随试件龄期的变化图 7 K ini 随试件尺寸的变化 4 结论本文利用特高拱坝施工现场拌合楼系统浇筑完成大尺寸全级配大坝混凝土试件, 通过试验与数值方法得到了现场浇筑大坝混凝土的 K ini 对 K ini, 进一步研究了试件龄期试件尺寸等因素的影响规律, 得到如下结论 :(1) 水工混凝土断裂试验规程 (DL/T ) 推荐的公式也适用于大尺寸大坝混凝土试件 K ini 的计算 ;(2) 采用现场浇筑方式研究大坝混凝土 K ini 可真实反映大坝的实际断裂特性 ;() 现场浇筑全级配大坝混凝土的随着龄期增加呈增加的趋势, 相同龄期的试件在有效高度 ~1 200 mm 范围内 K ini 不存在明显的尺寸效应需要指出的是, 由于现场浇筑成型大坝混凝土试件比较困难, 本次试验试件尺寸还限于较小范围变化, 且试验成果仅适用于某一特高混凝土拱坝今后, 研究范围须扩展至更大尺寸的现场浇筑大坝混凝土试件, 从而更加深入认识大坝混凝土的尺寸效应规律致谢 : 感谢中国三峡总公司溪洛渡工程建设部中国水电工程八局等单位相关人员对本文研究工作的大力协助! 参考文献 : [ 1 ] 朱伯芳, 高季章, 陈祖煜, 等. 拱坝设计与研究 [M]. 北京 : 中国水利水电出版社,2002. [ 2 ] 李庆斌, 林鹏. 论智能大坝 [J]. 水力发电学报,2014,(1): [ ] 管俊峰, 朱晓旭, 林鹏, 等. 特高拱坝悬臂高度个性化控制的分析研究 [J]. 水利学报,201,44(1): [ 4 ] 林鹏, 李庆斌, 周绍武, 等. 大体积混凝土通水冷却智能温度控制方法与系统 [J]. 水利学报,201,44 (8): [ 5 ] 邓宗才, 李庆斌, 傅华. 人工骨料全级配大坝混凝土的拉压力学性能 [J]. 水利学报,2005,6(2): ,224. [ 6 ] 管俊峰, 李庆斌, 吴智敏. 采用峰值荷载法确定全级配水工混凝土断裂参数 [J]. 工程力学,2014,1(8): 8-1. [ 7 ] 管俊峰, 李庆斌, 吴智敏, 等. 特高拱坝真实断裂参数研究的必要性与可行途径 [J]. 水力发电学报,2014, (5): [ 8 ] Kaplan M F. Crack propagation and the fracture of concrete[j]. ACI Journal Proceedings,1961,58(11): [ 9 ] Jenq Y S,Shah S P. Two parameter fracture model for concrete[j]. Journal of Engineering Mechanics,ASCE, 1985,111(10): [ 10 ] Jenq Y S,Shah S P. A fracture toughness criterion for concrete[j]. Engineering Fracture Mechanics,1985,21 (5): [ 11 ] Bažant Z P. Concrete fracture models:testing and practice[j]. Engineering Fracture Mechanics,2002,69(2): 1491

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<4D6963726F736F667420576F7264202D20B8DFB9B0B0D3B0D3F5E0D3A6C1A6CAB5B2E2D3EBBCC6CBE3BDE1B9FBB2EED2ECD4ADD2F2B7D6CEF62DD5C5B9FAD0C22E646F6378>

<4D6963726F736F667420576F7264202D20B8DFB9B0B0D3B0D3F5E0D3A6C1A6CAB5B2E2D3EBBCC6CBE3BDE1B9FBB2EED2ECD4ADD2F2B7D6CEF62DD5C5B9FAD0C22E646F6378> 高拱坝坝踵应力实测与计算结果差异原因分析张国新周秋景 ( 中国水利水电科学研究院, 北京 100038) 摘要 : 坝踵应力是关系到混凝土坝是否开裂和安全的一个重要指标, 不管是用结构力学法还是有限元法都能计算出坝踵有一定的拉