一种优化混凝土闸墩施工期拉应力的方法与流程

本发明涉及建筑技术领域，具体涉及一种优化混凝土闸墩施工期拉应力的方法。

背景技术：

作为典型的倒t字型混凝土结构，水闸闸墩开裂现象时有发生，严重影响了结构的安全性与稳定性。闸墩裂缝是墩体结构尺寸、内外温差、温降幅度、基础约束、混凝土的干缩和自生体积变形等因素综合作用的结果。闸墩结构型式单薄，底板约束作用明显，无论是因为早期的内外温差还是后期的温降收缩，裂缝在这类结构上产生的几率都比较高。

目前常用的大体积混凝土墩墙施工期拉应力的计算方法是有限单元法，但是该方法尚未形成统一的建模与计算方法，这导致不同的计算者对于同一个结构会得到不同的结果，而且建立有限元模型和大量的仿真计算需要花费大量时间。在设计和施工时间紧张的情况下，采用有限单元法效率不高。因此，实现大体积混凝土闸墩施工期拉应力的快速计算是一种亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的：提供一种快速获取混凝土闸墩施工期的拉应力，并对该拉应力进行优化的方法。

技术方案：本发明提供的方法包括如下步骤：

步骤a、获得目标混凝土闸墩内部在施工期内的最高温度tmax，并结合目标混凝土闸墩在应用期内的最低温度tmin，进而获取闸墩内部最大温降δt；

步骤b、获取目标混凝土闸墩的长度l、宽度w，以及用于浇筑目标混凝土闸墩的混凝土强度等级c，结合公式：

σmax＝[(c/30)^1.28×(-0.0005δt²+0.109δt)]×(1-e^-0.15l0.95)×[-0.19×abs(w/2-0.5)^1.16+1.06]

获取目标混凝土闸墩内部在施工期内的最大拉应力σmax，abs(·)为求绝对值函数，e为自然常数；

步骤c、基于在目标混凝土闸墩中施加的预应力，获取与该预应力所对应的张拉载荷p，并根据公式：

f＝σmax-δσ·p

获取目标混凝土闸墩在施工期的的拉应力f；其中，δσ为在目标混凝土闸墩上施加单位大小张拉载荷p时，目标混凝土闸墩内部最大拉应力σmax的减小量；

步骤d、判断目标混凝土闸墩在施工期的拉应力f是否大于用于浇筑目标混凝土闸墩的混凝土的抗拉强度，是则对目标混凝土闸墩在施工期的拉应力f进行优化；否则不进行任何处理。

作为本发明的一种优选方案，在步骤a中，δt＝tmax-tmin。

作为本发明的一种优选方案，在步骤d中，根据如下方法对目标混凝土闸墩在施工期的拉应力f进行优化，并返回步骤a：

通过在混凝土闸墩中通水冷却或添加抑制剂调节施工期中浇筑目标混凝土闸墩的温升幅度，进而实现对目标混凝土闸墩内部的最高温度tmax的调节。

作为本发明的一种优选方案，在步骤d中，根据如下方法对目标混凝土闸墩在施工期的拉应力f进行优化，并返回步骤b：

通过分缝分块调节各个目标混凝土闸墩的长度l、宽度w。

作为本发明的一种优选方案，在步骤d中，根据如下方法对目标混凝土闸墩在施工期的拉应力f进行优化，并返回步骤b：

通过更换用于浇筑目标混凝土闸墩的混凝土的种类，实现对混凝土的强度等级c的调节。

作为本发明的一种优选方案，在步骤d中，根据如下方法对目标混凝土闸墩在施工期的拉应力f进行优化，并返回步骤c：

通过调节在目标混凝土闸墩中施加的预应力，实现对与该预应力所对应的张拉载荷p的调节。

有益效果：相对于现有技术，本发明提供的方法计及目标混凝土闸墩内部在施工期内的最高温度，以及目标混凝土闸墩的长度、宽度、混凝土强度等级、施加在目标闸墩中预应力所对应的张拉载荷，获取目标混凝土闸墩在施工期的拉应力，将其与用于浇筑目标混凝土闸墩的混凝土的抗拉强度进行比对，并根据比对结果对目标混凝土闸墩施工期拉应力进行优化；本发明提供的方法，操作简单，能够快速获取混凝土闸墩施工期的拉应力，并对混凝土闸墩施工期拉应力进行优化，使其符合要求，以防止闸墩在底板的约束作用下出现裂缝。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的拉应力优化流程框图；

图2是根据本发明实施例提供的墩墙在地基上成型后的结构示意图；

图3是根据本发明实施例提供的有限元仿真墩墙结构示意图；

图4是根据本发明实施例提供的闸墩宽度与闸墩内部最大拉应力关系曲线；

图5是根据本发明实施例提供的闸墩长度与闸墩内部最大拉应力关系曲线；

图6是根据本发明实施例提供的闸墩材料、温降幅度和闸墩内部最大拉应力关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

参照图1，本发明提供的方法包括：根据目标混凝土闸墩内部在施工期内的最高温度，以及目标混凝土闸墩的长度、宽度、混凝土强度等级、施加在目标闸墩中预应力所对应的张拉载荷，获取目标混凝土闸墩在施工期的拉应力，将其与用于浇筑目标混凝土闸墩的混凝土的抗拉强度进行比对，若超过该抗拉强度，对目标混凝土闸墩的相关参数进行调试，从而对目标混凝土闸墩施工期拉应力进行优化。

参照图2，在本发明的实施例中，混凝土闸墩和用于承载混凝土闸墩的底板共同构成混凝土墩墙，在地基上施工时，混凝土墩墙的底板和地基之间间隔有垫层。

具体的，方法包括如下步骤：

步骤a、获得混凝土闸墩内部在施工期内的最高温度tmax，并结合混凝土闸墩在应用期内的最低温度tmin，进而获取闸墩内部最大温降δt；

步骤b、获取混凝土闸墩的长度l、宽度w，以及用于浇筑混凝土闸墩的混凝土强度等级c，结合公式：

σmax＝[(c/30)^1.28×(-0.0005δt²+0.109δt)]×(1-e^-0.15l0.95)×[-0.19×abs(w/2-0.5)^1.16+1.06]

获取混凝土闸墩内部在施工期内的最大拉应力σmax，abs(·)为求绝对值函数，e为自然常数。

获取混凝土闸墩内部在施工期内的最大拉应力σmax的方法具体包括如下步骤：

根据有限元仿真法构建混凝土闸墩和用于承载各混凝土闸墩的底板的模型，然后执行步骤b-1至步骤；构建的模型如图3所示：

步骤b-1、通过拟合夏季施工的长度为32.8m，强度等级为c30的混凝土闸墩，进而计算分析混凝土闸墩宽度不同时，与各宽度所对应的混凝土闸墩内部的宽度相关最大拉应力σ⁽¹⁾max，宽度相关最大拉应力σ⁽¹⁾max的表达式为：

σ⁽¹⁾max＝5.79×[-0.19×abs(w2-0.5)^1.16+1.06]

宽度相关最大拉应力σ⁽¹⁾max与宽度之间的关系曲线如图4所示。

根据图4所示的关系曲线及宽度相关最大拉应力σ⁽¹⁾max的表达式：混凝土闸墩宽度小于1m时，混凝土闸墩内部最大拉应力与混凝土闸墩宽度成正相关；混凝土闸墩宽度大于1m时，混凝土闸墩内部最大拉应力与闸墩宽度成负相关，1m是最不利的闸墩宽度。

步骤b-2、通过拟合夏季施工的宽度为2m，强度等级为c30的闸墩，进而计算分析混凝土闸墩长度不同时，与各长度所对应的混凝土闸墩内部的长度相关最大拉应力σ⁽²⁾max，长度相关最大拉应力σ⁽²⁾max的表达式为：

σ⁽²⁾max＝5.9×(1-e^-0.15l0.95)

长度相关最大拉应力σ⁽²⁾max与长度之间的关系曲线如图5所示。

根据图5所示的关系曲线及长度相关最大拉应力σ⁽²⁾max的表达式：当混凝土闸墩长度小于20m时，混凝土闸墩内部最大拉应力随着混凝土闸墩长度的增大而增大，当混凝土闸墩长度大于20m时，混凝土闸墩内部最大拉应力趋于一个定值，该定值的大小主要与混凝土闸墩的混凝土温降幅度有关。

步骤b-3、拟合出强度等级为c30的混凝土闸墩内部各最大温降δt与混凝土闸墩内部最大拉应力的关系，进而获取温降相关最大拉应力σ⁽³⁾max的表达式为：

σ⁽³⁾max＝-0.0005δt²+0.109δt

根据温降相关最大拉应力σ⁽³⁾max的表达式：混凝土闸墩内部最大拉应力随着温降幅度的增大而增大。

步骤b-4、混凝土闸墩内部最大拉应力与混凝土的弹模终值以及自生体积变形终值大致呈线性关系，而不同混凝土强度等级的混凝土具有相似的温降幅度和闸墩内部最大拉应力关系曲线，由此拟合出不同混凝土强度等级和混凝土闸墩内部最大拉应力的关系，获取强度等级相关最大拉应力σ⁽⁴⁾max的表达式为：

σ⁽⁴⁾max＝(c/30)^1.28×(-0.0005δt²+0.109δt)

其中c为混凝土强度等级。

步骤b-5、根据步骤b-1至步骤b-4所述的分析计算结果，得到考虑温降幅度、混凝土强度等级，以及混凝土闸墩长度和宽度的混凝土闸墩内部最大拉应力的计算公式：

σmax＝[(c/30)^1.28×(-0.0005δt²+0.109δt)]×(1-e^-0.15l0.95)×[-0.19×abs(w/2-0.5)^1.16+1.06]

式中，σ⁽³⁾max为软基上混凝土闸墩内部施工期最大拉应力，mpa；c为混凝土强度标号；δt为闸墩内部最大温降幅度，为水化热温度峰值减去闸墩的年最低气温；l为闸墩长度；w为闸墩宽度。

经验证计算，根据该公式计算的闸墩内部施工期最大拉应力的误差率为5.94％。

步骤c、基于在混凝土闸墩中施加的预应力，获取与该预应力所对应的张拉载荷p，并根据公式：

f＝σmax-δσ·p

获取混凝土闸墩在施工期的的拉应力f；其中，δσ为在混凝土闸墩上施加单位大小张拉载荷p时，混凝土闸墩内部最大拉应力σmax的减小量。

对墩墙横横截面积为37m²的墩墙进行拟合，获取在混凝土闸墩上施加单位大小张拉载荷p时，混凝土闸墩内部最大拉应力σmax的减小量δσ的计算公式为：

δσ＝2/(2.71s-99.457)

其中，s为墩墙横截面积，墩墙横截面积等于墩墙中垫层、底板、闸墩三者的横截面积的总和。

闸墩温降幅度和闸墩内部最大拉应力关系曲线如图6所示。

在前述方案中，长度和宽度的单位为m，温度的单位为℃，抗拉强度的单位为mpa。

步骤d、判断墩墙横截面积在施工期的拉应力f是否大于用于浇筑墩墙横截面积的混凝土的抗拉强度，是则对墩墙横截面积在施工期的拉应力f进行优化；否则不进行任何处理。

在估算墩墙横截面积内部在施工期内的最大拉应力时，墩墙横截面积内部最大温降δt为：

δt＝tmax-tmin

墩墙横截面积在应用期内的最低温度tmin为混凝土闸墩在浇筑成型年最低温度，预测该温度的方法为：获取施工期向历史时刻方向的预设的n年中的最低环境温度，将该温度作为混凝土闸墩在应用期内的最低温度tmin。

在设计阶段，可以基于配合比例和施工规范中的方法估算处理混凝土的温升值，并与可能的浇筑温度叠加，由此用于浇筑闸墩的混凝土最高温度，进而获取其内部最大温降，然后，根据前述方法获取闸墩内部在施工期的拉应力，并根据用于浇筑目标混凝土闸墩的混凝土的抗拉强度，对墩墙横截面积尺寸、施工温度和材料强度进行优化，以防止墩墙横截面积开裂。

可以通过如下方法进行优化：

通过在混凝土闸墩中通水冷却或添加抑制剂调节施工期中浇筑墩墙横截面积的温升幅度，进而实现对墩墙横截面积内部的最高温度tmax的调节，并返回步骤a，对优化结果进行再一次的验证；

通过在施工过程中，对闸墩分缝分块调节各个墩墙横截面积的长度l、宽度w，返回步骤b，对优化结果进行再一次的验证；

通过更换用于浇筑混凝土闸墩的混凝土的种类，实现对混凝土的强度等级c的调节，返回步骤b，对优化结果进行再一次的验证；

通过调节在混凝土闸墩中施加的预应力，实现对与该预应力所对应的张拉载荷p的调节，返回步骤c，对优化结果进行再一次的验证。

例如，当需要采用温控措施与预应力措施协同使用来控制施工期混凝土闸墩拉应力时，可以协同调整最大温降和产生预应力的张拉载荷大小，如果温控措施力度较大，则预应力的调节幅度可以比较小；如果温控措施力度较小，则预应力的调节幅度比较大。

具体选择对哪一个相关参数进行调节，可以根据各工程具体的技术条件和经济条件进行平衡调节，如果条件允许，也可以仅仅采用温控措施或仅采用预应力措施进行调节，如果在设计阶段就把结构尺寸和混凝土材料优化好，那么也可以无需在施工阶段采用温控措施和预应力措施来减小施工期闸墩内部拉应力。

本发明提供的方法适用于工程设计或施工现场，方法综合考虑了混凝土闸墩的结构尺寸、用于浇筑混凝土闸墩的混凝土的材料属性、施工期的气候环境，以及预应力等因素，方法简单，计算拉应力的精度高，可在设计阶段提前估算或施工阶段实时估算拉应力的大小，并根据计算结果，结合相应的温控防裂措施和预应力措施对其进行优化，进而保证工程质量，防止闸墩开裂。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。