专利名称：控制大体积混凝土结构物温度应力的混凝土浇筑方法
技术领域：
本发明涉及坝、桥墩、建筑物基础等大体积混凝土结构物的混凝土浇筑方法。
混凝土结构物的温度变化，包括由浇注时的水化热引起的温度上升以及由与外界的热传递而引起的温度变化两部分。在混凝土坝、吊桥主塔基础或锚固基础等大体积混凝土结构物中，因水化热而产生的温度上升可达15—25℃。从浇注开始到温度达到最高值之前，在混凝土中产生压缩应力，但在龄期短的混凝土中，由于徐变显著及弹性系数小，所以该压缩应力值小。其后，温度转为下降，这时在混凝土中随着硬化而产生足够的强度和高弹性性质，所以，因基岩约束(称为基础约束或外部约束)或因混凝土自身的约束(称为内部约束)而在混凝土中产生大的拉应力。另外，由于混凝土的浇注温度基本上与外界气温相等，所以，混凝土浇筑期长的大型结构物因受外界气温周期变化的影响，在结构物内部沿垂直方向上产生周期的温度分布。在日本由于日平均气温的年周期变化达±12℃左右，加之因水化热引起的温度下降，所以在大体积混凝土内产生的拉应力有时会超过混凝土的强度，从而发生裂缝。这样，在坝、桥墩、建筑物基础等巨大的大体积结构物内部，因混凝土浇筑后的温度下降及季节变化的温度分布而在局部产生过大的拉应力，导致裂缝的发生，当裂缝的规模急剧扩大或者诱发其他裂缝时，就会给坝等结构物的安全带来重大危害。
因此，为了防止产生这样的裂缝，在既个技术中已经有了抑制大体积混凝土温度的方法，即限制大体积混凝土的温度的技术。该技术是根据结构物的规模、结构形式、施工方法、工期、所在地气候、混凝土的热特性等各种因素来实施温度限制的，具体的方法有以下一些。
(1)预测所要浇筑的混凝土的发热量及蓄热量，实施极力抑制发热的施工方法(减少水泥用量、半高层施工、管道冷却法、预先冷却法等)。
(2)在结构上易产生裂缝的部位设置收缩缝，以避免裂缝发生。
(3)采用事先考虑了裂缝发生的设计及施工方法(在气温低的期间浇筑受外部约束的基岩附近的混凝土或浇注高度低的期间避免长时期放置。另外，对最上层面进行隔热养护，以避免表面温度急剧变化、考虑徐变因素对混凝土进行冷却)。
这些混凝土浇筑方法，在施工时有时单独使用，有时结合起来使用，无论怎样使用，其关键都是进行适当的温度限制，因此，正确地掌握所浇筑大体积混凝土结构物的温度应力的大小是必不可少的前提。
求温度应力的方法有若干种。最近，虽然也采用考虑了硬化时弹性系数变化及发热特性的数值解析法，但在坝等大体积混凝土结构物的设计中，一般采用考虑约束度的解析法。尤其是在必须研讨各种设计型式的初步设计时，在多数情况下用约束度求温度应力是通常做法。
用约束度R求温度应力σ的公式为σ＝REcαcΔT。式中，Ec为混凝土的弹性系数，αc为混凝土的线膨胀系数，ΔT为温度下降量。R根据结构物及基岩的形状及它们的材料特性而定，多由图表中得到，ΔT一般为ΔT＝Tr＋Ta－Tm，式中，Tr为最高值以下的温度下降，Ta为气温变化振幅、Tm为平均气温。
在上述的约束度应力公式中，是假设结构物整体都同样地只下降温度ΔT来计算温度应力的，所以，不能计算出因外界气温的周期变化而引起的结构物内部的温度分布所产生的应力。因此，要寻求一种解析方法，该解析方法能容易评价在结构物内因变化的温度引起的应力。而且，需要用该解析方法来设计最适当的结构物形状及确定施工方案。
以往的大体积混凝土结构物的浇筑方法，通常都是采用骨料予冷或管道冷却法等将浇筑场所极力冷却并将其抑制在预定的限制温度以内，以防止裂缝的发生。这种方法有以下问题例如，当采用预冷法时，由于混凝土在运输过程中因受空气温度影响被加温，所以其温度管理比较麻烦；又如，当采用管道冷却法时，为了不遗漏地使全部浇筑的混凝土冷却，所以冷却装置的设备运行费用很高。不论是哪一种方法，都存在着不经济的缺点。
因此，本发明就是为解决这一问题而作出的，其目的在于提供一种方法，该方法能正确而简便地预测在大体积混凝土结构物内部所产生的温度应力的分布，同时还提供一种通过局部加热把经预测要发生裂缝部位的应力限制在容许值以内的方法，还提供一种通过用热泵将发热部分的热转移到低温部分而形成均匀温度场来抑制温度应力的产生的方法。
为了评价因结构物内部的温度分布引起的应力，把上述的约束度应力公式变更为〔σ〕＝〔A〕〔ΔT〕。式中，〔ΔT〕为
图1所示的混凝土结构物各层的温度变化，〔σ〕为任意层中的应力，〔A〕为影响线行列，其成分Aij表示第j层的温度变化对第i层应力的影响。该影响线行列式〔A〕是根据混凝土结构物和基岩的形状、它们的材料特性而定的常数行列式，用有限单元法或边界单元法等数值解析法求出。应力σ在最一般的三元问题中是具有3×3成分的对称张量，影响线行列式〔A〕按每个应力成分定。求出了该影响线行列式，无论设想在混凝土结构物的各层中有怎样的温度分布，都可以按照施工计划算出温度应力。
下面，为了掌握所发现的温度应力的特征，提出了利用温度影响线函数波形的温度应力计算法。现在假设如图2(a)所示，在基岩上构筑高H、宽B的矩形结构物。从岩面接触部的中间部着眼，用上述方法求出对于水平方向应力σx的温度影响线，将其除以层厚d，所得之值如图2(b)所示，将其函数形式定为f(y)。y轴以基岩面为原点，往上方为正方向。函数f实际上分为着眼层以上、着眼层本身和着眼层以下三部分，其各自的函数形式近似为f1，f0，f2。f0为常数，函数f1、f2是简单形状，例如近似为直线或抛物线。假设由混凝土结构的构筑而产生的结构物内部及基岩内的温度变化为T(y)，则着眼点的应力最终由把二个函数的乘积f(y)·T(y)从—∞到H积分求出。用同样的方法确定各层的影响线函数f(y)，就可以求出沿y轴的应力分布，从而可预测裂缝发生的部位。其结果，就可以通过控制影响线函数f(y)的波形和温度T(y)的波形来减小在大体积混凝土结构物内部产生的温度应力。
另外，对预测要发生裂缝的部位进行加热，使温度应力重分配，就可以把大体积混凝土结构物整体的应力限制在容许值以内。
再者，用热泵把已浇注混凝土层中发生的热转移到低温部，使大体积混凝土结构物中的温度均匀，就可以减低温度应力。
根据本发明提出的利用温度影响线函数和温度的变化特性来评价。控制大体积混凝土结构物温度应力的方法，利用数值解析的结果，可以求出根据结构物及基岩形状及其材料常数而定的温度影响线函数。然后用温度影响线函数的波形和温度变化的波形来预测由混凝土水化热和外界气温变化而在大体积混凝土结构物内部必然产生的温度应力，从而可予测裂缝的产生部位。再对予测产生裂缝部位的附近进行加热，使温度应力重分配，就可以把大体积结构物整体的应力限制在容许值以内。另外，用热泵把浇筑层中发生的热转移到低温部，使大体积混凝土结构物中的温度均匀，其结果，可降低温度应力。
附图简单说明如下图1是本实施例大体积混凝土结构物的层状浇筑说明图；图2是本实施例的温度影响线说明图；图3是影响线行列式说明图；图4是本实施例的利用温度影响线评价应力分布的说明图；图5是本实施例的利用局部加热使应力重分配的理论说明图；图6是本实施例的用热泵进行热移动方法的理论说明图。
下面，用图表说明本发明的根据温度影响线函数和温度变化特性来评价大体积混凝土结构的温度应力、利用局部加热来控制产生的温度应力、利用热泵降低温度应力的方法的实施例。
图3是对矩形结构物用平面应变有限单元解析求出的水平方向应力σx的温度影响线行列式。解析条件如下高度H＝100(m)，宽B＝50(m)，(H/B＝2)；混凝土的材料常数弹性系数Ec＝2×106〔tf/m2〕，泊桑比yc＝0.2，线膨胀系数ac＝1×1O-5〔1/℃〕；
基岩的材料常数弹性系数Er＝2×105〔tf/m2〕，泊桑比yr＝0.2，线膨胀系数αr＝1×10-5〔1/℃〕；(Ec/Er＝4)该图中，将结构物分成25层，自下而上定为1层，2层…，求各层中心部的应力影响线行列式。在该影响线行列式中，与基岩有关的部分省略掉了。
图4(a)是把接触基岩部作为着眼层而得到的温度影响线函数f(近似于直线)。在它上面加上图4(b)所示的周期温度变化T(2年周期)求接触基岩部的应力，其压缩应力σx＝-52.36〔tf/m2〕。如果考虑用一年时间施工的情况，则如图4(c)所示那样修正温度变化T，求出接触基岩部的压缩应力σx＝-49.89〔tf/m2〕。
下面，说明用局部加热来控制大体积混凝土结构物温度应力的方法。层状地浇筑图1所示的矩形混凝土结构物时，设在各层降低一定温度，则浇筑结束时的温度应力分布如图5(b)细实线所示的分布。这里，假设弹性系数、泊桑比都是一定的。这时，在基岩上方约1/4处发生最大拉应力。为了降低该拉应力，对图5(a)的层加热，则得到图5(b)粗实线所示的应力。可以截去峰值应力。通过这样的处理，应力在结构物整体内进行重分配，从而被限制在容许应力以下。另外，由于应力分布是随时间不断变化的，所以，必须如图5(c)所示那样，按照时间的经过最适当地控制加热层的位置及其加热温度。本实施例的用局部加热来控制大体积混凝土结构物温度应力的浇筑方法，可以抑制被已经认为是不可避免的裂缝的产生，所以能大大提高大型混凝土结构物的安全性和耐久性。另外，由于不必担心产生裂缝，而可以加快施工速度，所以，可实现对大体积混凝土结构物高效而经济的设计与施工，具有重要社会意义。
此外，由于温度应力基本上是由非均匀温度分布而引发的，所以，如图6所示，用热泵把浇筑的混凝土层中产生的热转移到低温部，使混凝土结构物中的温度均匀，其结果，可以降低温度应力。
如上所述，本发明的控制大体积混凝土结构物温度应力的混凝土浇筑方法，是把坝、桥墩、建筑物基础等具有一定形状和大小的大体积混凝土大型结构物修建在基岩等上的混凝土浇筑方法。该方法中包括用数值解析法求温度影响线的方法、用温度影响线的波形和温度变化的函数波形求产生的温度应力并预测裂缝发生部位的方法、对予测到的部位附近进行加热使温度应力重分配的方法、用热泵把浇筑的混凝土中产生的热转移到低温部使温度降低的方法，通过上述各方法，将混凝土结构物整体的应力限制在容许值以内，不仅大大提高大型混凝土结构物的安全性、耐久性，而且能实现对大体积混凝土结构物高效而经济的设计与施工，具有重大社会意义。
权利要求
1.一种大体积混凝土浇筑方法，是在基岩上施工坝、桥墩、建筑物基础等具有一定形状大小的大体积混凝土结构物的混凝土浇筑方法，其特征在于，通过以下方法将混凝土结构物整体的应力限制在容许值以内，即用数值解析求温度影响线函数的方法；用温度影响线函数的波形和温度变化的函数波形求产生的温度应力并预测裂缝的产生部位；对由上一工序预测到的混凝土部位附近进行加热，使温度应力重分配的工序；用热泵把浇筑的混凝土中产生的热转移到低温部，使温度应力降低的工序。
全文摘要
本发明涉及一种在基岩上施工坝、桥墩、建筑物基础等具有一定形状大小的大体积混凝土结构物的混凝土浇筑方法，其包括用数值解析求温度影响线函数的方法；用温度影响线函数的波形和温度变化的函数波形求产生的温度应力并预测裂缝的产生部位；对所说部位附近进行加热，使温度应力重分配的工序；用热泵把浇筑的混凝土中产生的热转移到低温部，使温度应力降低的工序。
文档编号G01N25/72GK1125801SQ94112848
公开日1996年7月3日 申请日期1994年11月30日 优先权日1994年11月30日
发明者市川康明 申请人:E.R.C.株式会社