大体积混凝土工程约束度实现方法与流程

本发明涉及一种混凝土位移控制全过程仿真试验装置和方法，属于水利水电工程的技术领域，具体地涉及大体积混凝土不同约束度下的温度应力仿真试验。

背景技术：

混凝土浇筑后，由于水化热的作用，加之混凝土导热性能差，产生的热量绝大部分不能消散，从而导致混凝土温度升高，体积膨胀。一般来说，水利工程中的混凝土，绝热温升可达10～40℃，即使考虑表面散热，混凝土内部最高温度仍比浇筑时高7～35℃，当块体尺寸很大时，内部温升会更高。温度下降冷缩过程中，将使块体在约束条件下产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度，就会导致混凝土开裂。此时开裂应力与完全约束下应力的比值定义为工程约束度。

目前关于约束度的实现方法较少，目前的方法主要集中在仿真模拟分析和理论计算，仿真主要是从混凝土的弹性或粘弹性本构关系出发，模拟混凝土的温度历程，通过计算最大温度应力得到约束度；理论计算主要是通过力学手段建立方程式，利用求解的方式得到约束度。随着温度应力试验机的出现，实现了约束度可调控的现场模拟试验。但对大体积混凝土工程约束度转化为温度应力试验机约束度方法较少，特别是温度应力试验机在约束度可控过程中，工程约束度和仿真试验装置实现约束度之间的关系。因此，一种实现大体积混凝土工程约束度的仿真试验装置和方法成为混凝土温度应力的需要。

技术实现要素：

本发明目的在于改进约束度方法计算混凝土的温度应力，从试验角度出发，对混凝土的应力、应变等因素在不同约束度下的发展全过程进行试验，为评价大体积混凝土的开裂能力提供依据。

本发明的技术解决方案是：不同约束度下的混凝土开裂全过程试验装置和方法，包括以下内容：

(1)规范规定大体积混凝土工程约束度

目前规范规定的大体积混凝土工程约束度计算方法主要有以下几种：

美国aci规范：

式中l和h分别是浇筑块的长度和高度，h为变高度(0≤h≤h)。

混凝土的约束应力随基础材料刚度的降低而成比例地降低，求出的γr要乘以一个系数。

式中ac和ec是浇筑快的接触面积和弹模，af和ef是基础的接触面积和弹模。基岩上的混凝土浇筑块，一般认为af是ac的2.5倍，即af＝2.5ac。

国内规范：

表1工程约束度取值(混凝土弹性模量和基岩相等时)

注：l为浇筑块长边长度，m；y为计算点离基础面的高度，m。

表2工程约束度取值(混凝土弹性模量和基岩不等时)

(2)温度应力试验机约束度

试验装置将混凝土试件的两端用夹头控制，一端固定，另一端可以通过夹头控制试件压缩和拉伸，混凝土试件的自由变形为ε0(t)，根据不同约束度下产生的实际变形ε(t)，通过计算机控制系统、加载控制系统、数据采集系统，使混凝土试件的自由边形成比例的减小，然后会对混凝土试件产生相应的约束，叫机器约束度。

式中t为时间，ε0(t)和ε(t)分别为混凝土块的自由变形和实际变形。

(3)大体积混凝土工程约束度

在不同的温度历程下，新浇混凝土块体被基岩或者老混凝土约束而产生的温度应力，与完全约束情况下理论温度应力的比值得到工程约束度。其中r(t,t0)为松弛模量。

式中σ(t)是混凝土块体被基岩活老混凝土约束状态下产生的温度应力，σfix(t)为混凝土块体完全约束状态下产生的温度应力,r(t,t0)为混凝土块体在t时刻的松弛模量。

附图说明

图1为本发明大体积混凝土工程约束度试验流程示意图；

图2为本发明功能示意图；

图3为本发明大体积混凝土工程约束度实现方法全过程试验示意图；

图4为本发明大体积混凝土工程约束度实现方法示意图；

图5为本发明大体积混凝土工程约束度实测示意图；

图6为混凝土块体各测点温度历程曲线；

图7为混凝土块体各测点变形曲线；

图8为各测点不同约束度下温度应力曲线。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，大体积混凝土工程约束度可以通过规范、实测得到，也可以通过以下试验方式实现：

实际工况下的大体积混凝土，在块体中心部位存在最大拉应力，也就是最危险的部位，在进行大体积混凝土温度应力计算时，对混凝土块体中心部位进行实测和仿真模拟计算，对混凝土的抗裂能力进行评价。对于同一混凝土块体在进行约束度计算，约束度不仅受到自身尺寸影响，和基岩(或老混凝土)弹模、浇筑混凝土弹模也有很大关系，根据现有公式可以对混凝土的约束度进行计算：可以用规范规定的方法，根据浇筑块体的尺寸、接触面积和基岩的弹模计算混凝土块体各部位约束度；运用实测方法，对块体中心部位不同点测量其温度、变形历程，同时，进行混凝土各个力学性能参数的试验，包括混凝土各个龄期的弹模和徐变参数，为计算混凝土的松弛模量做准备，测得混凝土在相同条件下的温度变形和自由变形，计算混凝土工程约束度；运用室内试验方式，根据现场测得温度历程变形历程，绘制时间-温度曲线和时间-位移曲线输入到计算机，通过计算机控制系统、位移控制系统、温度控制系统、加载控制系统和数据采集系统，对试件自由端进行控制，使其自由变形遵循时间-位移曲线变化，实现大体积混凝土工程约束度。根据计算得到的规范约束度、工程约束度和试验测得机器约束度、温度应力历程，借助数据处理系统，当应力曲线出现突变表明混凝土开裂，此时的温度、应力就可以作为混凝土在相应约束度下的开裂指标，为混凝土的抗裂性能评价作参考。

实施例

该试验方法对现场混凝土试块进行了试验，已验证大体积混凝土工程约束度实现方法的有效性和合理性。图5为混凝土块体的尺寸，点1,2,3,4为块体的测试点，从混凝土浇筑开始测试其温度历程和变形，将绘制的时间温度曲线和时间-位移曲线输入到计算机，直至试验结束。

测试点1,2,3,4的温度历程曲线和变形曲线见图6和7，除了温度历程和变形曲线不同，各测点的约束度随高度的增加而变小，各测点可看作相同的混凝土材料同时浇筑。

根据不同的约束度计算方法计算测试点1,2,3,4的约束度，见表3，根据aci规范主要是考虑混凝土块体尺寸和弹模，计算得到的约束度和实测计算得到的约束度相差不大；根据国内规范计算得到测试点1的约束度和其他两种算法基本一致，说明测试点1的约束度计算结果较为可靠，测试点2,3,4的结果和其他两种算法有较大差距，主要是由于规范针对长高比为1情况下的混凝土块体，对于长高比大于1的块体，低估了基础对混凝土块体的约束程度，使其约束系数迅速减小，计算出的温度应力也会偏小，因此，采用实测计算得到的约束度输入到计算机进行试验。

从试验得出的试验数据可以看出，将实测得到的时间-温度曲线和时间-变形曲线输入到计算机，得到的温度应力去曲线和实测的数据是吻合的。测试点1在第四天出现裂缝，对应的开裂应力为3.3mpa，相同温度历程和变形的混凝土试件在第四天发生断裂，断裂时的应力为3.5mpa；测试点2在第四天出现裂缝，对应的开裂应力为3.0mpa，相同温度历程和变形的混凝土试件在第四天发生断裂，断裂时的应力为3.4mpa；测试点3没有出现裂缝，应力为1.7mpa，相同温度历程和变形的混凝土试件受到的约束应力为1.73mpa；测试点4没有出现裂缝，计算得到的温度应力为-0.5mpa，相同温度历程和变形的混凝土试件受到的约束应力为-0.75mpa。从现场实测得到的测点1温度应力3.3mpa到测试点2温度应力3mpa，测点3温度应力1.7mpa，和测点4温度应力-0.5mpa，随高度增加，基础对混凝土块体的约束能力减小，块体的抗裂能力增加。测点1相对应的开裂应力3.5mpa，测点2相对应的开裂应力3.4mpa，测点3相对应的约束应力1.73mpa，测点4相对应的约束应力-0.5mpa，得到的温度应力和现场实测结果基本一致，实现了大体积混凝土工程约束度向机器约束度的转化。同时观测到，混凝土的抗裂能力是和温度历程、约束度紧密相关的，温差较小的情况下，约束程度增加到一定程度也会出现裂缝，测点1和测点2相比就可得到这样的结论。

表3各测试点的约束度