碾压混凝土拱坝设人工短缝的应力释放及止裂作用

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1、碾压混凝土拱坝设人工短缝的应力释放及止裂作用

2、第1内容加载中...　摘要：大仓面碾压混凝土拱坝横缝少，整体性好，仓面准备工作量少，浇注工艺简化，施工速度快，省水泥和温控措施，但施工期内外温差约束强，运行期均匀温降及温差应力大。拱结构研究表明：在上游坝肩拉力区设人工折缝，将折缝缝端置于低应力区，下游面拱冠设径向短缝，可以大大减少或消除温度和水压引起的拉力；从近缝两侧有限元节点位移差直接求得缝端应力强度因子，和缝端止裂措施组合韧性比较，可以保证人工构造缝的稳定。该设计已用于碾压混凝土工程，实测表明在超高水位下运行时人工短缝张开小于1mm，止裂措施后实测应变小于37

3、个微应变，止裂效果好，人工缝保持稳定。关键词：碾压混凝土拱坝；人工短缝；应力释放；断裂控制基金项目：清华大学“985”科研基金项目(082100100)大仓面碾压混凝土拱坝减少了仓面准备工作，简化浇注工艺，大大加快施工速度[1]。碾压混凝土拱坝虽然水化热温升较常态混凝土低，但冷却水管和碾压工艺相互干扰，少用或不用冷却水管，后期温度下降仍带来拱坝大面积受拱向拉力。通常拱坝尤其薄拱坝即使人工冷却到稳定温度场后灌浆，运行期冬春季温度下降仍受拉力，夏秋季温度上升加大拱座推力，由于温度通过变形产生荷载，因此人工缝提供自由变形面，对释放温度应力最敏感，其实混凝土固化收缩和

4、干缩也会引起类似的拉伸体积力，水压作用下小曲率拱或深梁在固端上游面引起拉应力集中，它加大了温度荷载在上游拱座的拉力[2]。在拉力区设人工短缝可以大大削减拱坝拉力，将难以确定位置的拉力区裂缝限制在有上游止水和下游止裂的人工短缝上。1拱座上游人工短缝及拱冠下游区设人工缝对拱坝宏观边缘应力的改进某碾压混凝土拱坝上游温降17℃，下游温降13℃，拱厚25m，跨度180m，上游面水压80m水头。水压加温降荷载时平面拱主应力如图1(a、b).σ1上游拱座拉应力达4.0MPa，下游拱冠拉力达2.5MPa；σ2下游拱座压应力达-7.0MPa，上游拱冠压力达-6.0MPa.在上游

5、拱座切缝深2.5m时，水压加温降荷载平面拱主应力如图2(a、b)所示。由σ1分布可见上游拱座拉力区几乎消失，下游拱冠拉力也下降为0.5MPa，但下游拱座压力仍保持-7.0MPa(因为它主要由水压荷载引起)，可见，上游拱座设缝可以大量削减拱座拉力区。拱座下游设中央径向缝[3]，缝长10m可使缝端应力强度因子下降到0.4MPa·m1/2(混凝土断裂韧性)以下，如图3，也可以在缝端设止裂结构而减少缝的长度。由图4(a、b)可见下游拱冠设10m缝使拉应力区向缝的两侧转移，拉力下降到1.5MPa，拱座上下游应力不变。继续在拱冠下游两个拉力区设3m缝，拉力可下降为0.5M

6、Pa以下。图1水压加温降荷载时平面拱主应力(单位：MPa)图2上游拱座设2.5m长缝时水压加温降荷载平面主应力(单位：MPa)图3上游拱冠缝深度和应力强度因子SIF关系图4下游拱冠设10m深缝时水压加温降荷载平面主应力(单位：MPa)2坝肩和人工短缝构造通常坝肩混凝土垫座增长混凝土和岩石的接触面使岩石受力均匀，增强基础面抗剪能力，也增加上游抗绕渗能力，便于埋设拱座人工短缝的预埋件，短缝的长度和形状，改变有效传力断面，可以改变水压作用下主应力的传力方向，使外形上便于碾压施工的无倒悬、小曲率的单曲拱坝起到加大曲率的双曲拱受力的作用。设置短缝不超过坝厚的1/4，以

7、免加大坝肩剪应力。人工短缝是构造缝(不是温度诱导缝)，需要控制缝端断裂能以防止缝延伸。上游坝肩人工短缝使坝肩上游部位的拉力区转移到内部缝端，用折缝将缝端转入低应力区，也减少缝和内部主拉应力方向的交角，以消减缝端断裂能，在缝端区埋设抗裂能力高的材料，以增大韧性，阻止裂缝发展。拱冠下游短缝用木版隔成，伸入坝体，缝端设止裂材料以减少缝深。注：Ⅰ-Ⅰ断面指沿直缝bdf断面Ⅱ-Ⅱ断面指沿拱座岩体与混凝土ghm断面图5上游拱座短缝构造示意某碾压混凝土薄拱坝典型拱圈拱座设缝构造示意如图5.上游坝面人工短缝设置止水，缝内有排水管，不计缝内水压作用。以611.0m高程的拱圈为例

8、，上游坝肩4种形状的短缝(直缝、30°折缝、45°折缝、60°折缝)和未设缝的整体结构，对坝肩区域应力分布的影响如图6、图7所示。图中5条曲线分别代表：①无缝整体结构；②径向直缝θ=90°；③折缝θ=30°；④折缝θ=45°；⑤折缝θ=60°。以上算例单独考虑上游面短缝对应力的影响，未考虑下游面中间3条人工短缝。