蔣俊峰

摘 要：牤牛河南支渡槽采用C50高性能混凝土，發(fā)熱速度快，發(fā)熱量高。渡槽一旦出現(xiàn)表面裂縫或貫穿性裂縫，將會對其結(jié)構的整體性、安全性、抗?jié)B性和耐久性造成很大的影響，因此，必須采取措施控制渡槽混凝土的溫度應力，以有效防止裂縫，保證工程質(zhì)量。為之，對該工程大體積混凝土施工溫度控制進行了研究，通過本次仿真計算，遴選不同月份施工時渡槽混凝土的溫控措施及溫度控制指標，以指導施工，達到渡槽混凝土施工期防裂的目的。

關鍵詞：大體積混凝土 溫度控制 施工方案 數(shù)值分析

中圖分類號：U44 文獻標志碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（c）-0084-05

1 工程概況

1.1 南水北調(diào)中線一期牤牛河南支渡槽工程概況

1.1.1 牤牛河南支渡槽工程概況

南水北調(diào)中線一期總干渠漳河北～古運河南中線建管局直管工程牤牛河南支渡槽由退水閘、進口節(jié)制閘、渡槽、出口檢修閘組成綜合樞紐工程，起點樁號29+304，終點樁號29+728其中：槽身段起點樁號29+386 m，終點樁號29+626 m，共分8跨，單跨長30 m，全長240 m。渡槽上部槽身為三槽一聯(lián)帶拉桿預力鋼筋混凝土梁式矩形槽。槽身寬度24.3 m，上部翼緣外側(cè)寬度25.5 m。槽身過水斷面尺寸7.0 m（寬）×6.5 m（高）×3槽，槽內(nèi)設計水深5.55 m，加大水深6.11 m，渡槽縱坡i=1/3550。30 m跨單槽斷面尺寸為7.0×6.5 m，邊墻厚0.6 m，頂部設2.7 m寬人行道板；中墻厚0.7 m，頂部設3.0 m寬的人行道板。后澆帶設置在各跨槽身兩端，寬0.58 m。槽身現(xiàn)澆混凝土10586.6 m3，鋼筋制安906.2 t，預力鋼筋制安383.9 t，預力鋼絞線制安295.5 t。其工程量見表1所示。

1.1.2 牤牛河南支渡槽工程氣象條件

牤牛河南支渡槽地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。年平均氣溫13.1 ℃，年內(nèi)氣溫變化明顯。一月份多年平均氣溫-2.3 ℃，極端最低氣溫為-19 ℃；七月份多年平均氣溫26.5 ℃，極端最高氣溫42.3℃。

牤牛河南支渡槽地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。年平均氣溫13.1 ℃，年內(nèi)氣溫變化明顯。一月份多年平均氣溫-2.3 ℃，極端最低氣溫為-19 ℃；七月份多年平均氣溫26.5 ℃，極端最高氣溫42.3 ℃。

2 牤牛河南支渡槽施工期溫控數(shù)值模擬

牤牛河南支渡槽采用C50高性能混凝土，發(fā)熱速度快，發(fā)熱量高。對于槽身底板、側(cè)墻、縱梁和橫梁等薄壁結(jié)構，在澆筑早期容易出現(xiàn)較大的內(nèi)外溫差，導致表面產(chǎn)生較大拉應力，如果此時再有寒潮出現(xiàn)，極易產(chǎn)生“由外而內(nèi)”的表面裂縫，并可能進而發(fā)展成為貫穿性裂縫。渡槽一旦出現(xiàn)表面裂縫或貫穿性裂縫，將會對其結(jié)構的整體性、安全性、抗?jié)B性和耐久性造成很大的影響，因此，必須采取措施控制渡槽混凝土的溫度應力，以有效防止裂縫，保證工程質(zhì)量。

2.1 計算模型

計算整體坐標系坐標原點位于渡槽端部縱邊梁底部外側(cè)端點以外0.6 m處，與邊墻走廊的外側(cè)端點在同一垂線上。x軸正向為從跨端流向跨中方向；y軸為垂直水流方向，正向為邊墻指向中墻；z軸正向為鉛直向上（整體坐標系見圖1所示）。

由于對稱，取單跨渡槽的1/4作為分析對象，計算模型采用等參8結(jié)點六面體空間單元，共計劃分9680單元，14451結(jié)點。溫度場計算中：渡槽對稱面作為絕熱面，施加絕熱邊界條件，其余各面都與空氣接觸，此邊界上存在與空氣的熱對流，屬于熱分析中的第三類邊界條件，在應力場仿真計算時，考慮到施工過程中，漕身混凝土底面采用滿堂支架支撐。

2.2 有熱源混凝土結(jié)構不穩(wěn)定溫度場分析原理

在渡槽混凝土施工期，由于水泥水化熱的作用，混凝土的溫度將隨時間而變化。這個問題為具有內(nèi)部熱源的熱傳導問題。由熱傳導理論，這種不穩(wěn)定溫度場T（x，y，z，τ）在區(qū)域R內(nèi)應滿足下列方程不穩(wěn)定溫度場的熱傳導方程，熱傳導問題等價于下列泛函的極值問題：

（1）

用有限單元法求解不穩(wěn)定溫度場有顯式解法和隱式解法兩種方法，兩者的區(qū)別在于對單元區(qū)域內(nèi)泛函（1）中的處理不同，顯式解法認為當單元充分小時，可近似假定在單元內(nèi)均勻分布，而隱式解法令：

（2）

由此導致兩者在時間域上的差分也不同。顯式解法可根據(jù)未知結(jié)點上一時刻本身及所有相關結(jié)點的溫度值直接得到當前時刻的值，而隱式解法需要求解聯(lián)立的線性方程組。因此，本報告計算使用的程序采用隱式解法，進一步求得：

（3）

把（3）代入（4）中，得到

（4）

通過對空間不穩(wěn)定溫度場的時間離散和空間離散，得到大壩不穩(wěn)定溫度場有限元計算的控制方程：

（5）

在上式中，、是已知的，而是未知量，因此上式是關于的線性方程組，解之，即得到各結(jié)點在時的溫度。

2.3 水工混凝土結(jié)構溫度場及徐變應力場三維計算程序

計算使用的溫度場及徐變應力場三維計算程序用ansys大型軟件，主要特點為：（1） 具有良好的商用有限元分析軟件的數(shù)據(jù)前處理接口。（2）能夠模擬混凝土建筑物的實際施工過程和運行過程，可以考慮混凝土澆筑層數(shù)、計算網(wǎng)格、邊界條件、材料參數(shù)、絕熱溫升過程都隨計算時間的變化。（3）能夠模擬澆筑溫度、水管冷卻（一期冷卻及二期冷卻）、層面流水、越冬面底部加溫等不同溫控措施的影響。（4）仿真計算過程時間步長的自動選取。對混凝土澆筑過程的實時模擬是仿真分析的重要內(nèi)容。（5）實現(xiàn)了混凝土建筑物澆筑過程中邊界條件的自動搜索及處理功能。當分析結(jié)構較為復雜時，較難處理的是伴隨分層澆筑而引起的邊界條件的不斷變化。（6）提供多種單元類型并具有多種求解器，可利用微機進行大體積混凝土結(jié)構的仿真分析及一般結(jié)構應力與變形分析。

2.4 基本資料及計算邊界條件

2.4.1 單跨渡槽的施工情況

單跨渡槽的施工情況如下：首先澆筑下層混凝土，包括縱梁、橫梁及底板部分，下層混凝土澆筑到立墻“八”字墻以上60 cm，間歇10天內(nèi)澆筑上層混凝土一直至頂。渡槽的可施工期為每年的3月份～11月份，12月份至次年2月份停澆。

2.4.2 計算采用的基本資料

磁縣地區(qū)不同月份的多年月平均氣溫見表2所示。不同齡期混凝土的絕熱溫升用公式：來擬合，其中及d為常數(shù)，混凝土的絕熱溫升公式見表3所示。不同齡期混凝土彈性模量的公式用E=來擬合，其中、a、b為常數(shù)。混凝土的自身體積變形見表4所示。

混凝土的徐變度采用如下公式：

牤牛河南支渡槽混凝土不同齡期溫度應力控制按下式進行：

（6）

其中：各種溫差所產(chǎn)生的溫度應力之和，MPa；混凝土極限拉伸值，重要工程須通過試驗確定；混凝土彈性模量；安全系數(shù)，一般采用1.5～2.0；視工程重要性和開裂的危害性而定。

牤牛河南支渡槽工程安全系數(shù)取1.5。冷卻水管參數(shù)見表5。不同保溫材料參數(shù)表見表6。

2.4.3 仿真計算步長及采用的氣溫

仿真計算時段為開始施工以后30天，計算過程中采用的氣溫為旬平均氣溫?；炷翝仓?天內(nèi)計算步長取0.2天，澆筑后5天內(nèi)計算步長取0.5天，澆筑后30天內(nèi)計算步長取1天。因為渡槽可在3月份～11月份任何一個月內(nèi)施工，因此，仿真計算按照每個可施工月份分別進行分析。

3 牤牛河南支渡槽施工期溫控數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 計算成果整理

計算成果的整理以典型點過程線統(tǒng)計表為主。為了分析渡槽不同部位混凝土內(nèi)部及表面點溫度及應力的變化規(guī)律，選取典型點繪制其施工期溫度及應力變化過程線。通過上述成果整理形式，可有效總結(jié)不同部位混凝土的溫度及應力變化規(guī)律。過程線整理選取有代表性的5個關鍵部位10個節(jié)點。

端部縱梁內(nèi)外點：1#內(nèi)部點坐標（2.5，8.9，1.7），2#表面點坐標（2.5，9.9，1.7）；橫梁內(nèi)外點，3#內(nèi)部點坐標（1.23，12.75，1.7），4#表面點坐標（1.58，12.75，1.7）；底板內(nèi)外點，5#內(nèi)部點坐標（11.22，5.025，2.1），6#表面點坐標（11.22，5.025，2.3）；側(cè)墻內(nèi)外點，7#內(nèi)部點坐標（11.22，8.9，7.55），8#表面點坐標（11.22，9.25，7.55）；靠近側(cè)墻結(jié)合面上部的內(nèi)外點，9#內(nèi)部點坐標（11.22，8.9，4.7），10#表面點坐標（11.22，8.55，4.7）。新老混凝土結(jié)合面內(nèi)點，11#內(nèi)部點坐標（11.22，8.9，3）。各點所在位置示意圖如圖2、圖3所示。

3.2 不同月份澆筑的渡槽混凝土溫度及應力分析

選擇9月為典型月份分析，單跨渡槽在9月份澆筑，假定9月10號澆筑完成下層混凝土，間歇10天后，再澆筑上層混凝土，兩層混凝土澆筑溫度取旬平均氣溫，混凝土外部貼2 cm苯板保溫，側(cè)墻和縱梁內(nèi)通冷水管?？v梁、橫梁、側(cè)墻、底板、結(jié)合面混凝土內(nèi)外溫差變化規(guī)律見圖4～圖9所示，具體特征值見表7所示。

3.3 解決新老混凝土結(jié)合面附近應力過大問題的溫控優(yōu)化

從3月份～11月份的計算成果來看，在施工期的不同月份，新老混凝土附近的混凝土均存在順水流方向水平應力σx超標現(xiàn)象，超標范圍為結(jié)合面以上30 cm～2.0 m處。因此，對3月份～11月份澆筑的渡槽混凝土。解決的方法有兩種：降低混凝土澆筑溫度和通水冷卻。結(jié)合工地現(xiàn)場的條件，降低混凝土的澆筑溫度可能不易實現(xiàn)，因此主要研究通水冷卻問題。

在澆筑第二層混凝土時，在側(cè)墻內(nèi)部布設冷卻水管進行通水冷卻，從結(jié)合面處向上30 cm布置第一層，向上每隔50 cm布置一層；冷卻水管采用內(nèi)徑48 mm鋼管，壁厚3 mm。冷卻水溫度6、7、8月份采用15 ℃冷水，其他月份采用12 ℃冷水，冷卻通水時間3天，每12 h調(diào)換一次通水方向。對第二層側(cè)墻混凝土通水以后，從新老混凝土結(jié)合面附近混凝土典型點溫度變化過程線可以看出：3月施工通水后最高溫度只有35.1℃；通水后最高溫度出現(xiàn)在澆筑后1.0天。因為第二層側(cè)墻混凝土最高溫度的降低，結(jié)合面附近混凝土后期應力有了很大的消減。

4 牤牛河南支渡槽施工期溫控操作工藝流程

根據(jù)牤牛河南支渡槽施工期溫控防裂仿真研究結(jié)果和根據(jù)工程要求，渡槽混凝土溫控僅對槽身混凝土展開，混凝土施工期溫控工藝如下。

4.1 準備工作

鋼模板外貼聚乙烯苯板：為簡化工藝流程和經(jīng)濟性的考慮，春夏秋冬季均外貼2.0 cm厚。

布置冷卻管并檢查密封性；為了控制新老混凝土結(jié)合面附近混凝土和縱梁內(nèi)的最高溫度和內(nèi)外溫差，必須在縱梁和每個隔墻的第二層混凝土中埋設冷卻水管通水冷卻，從混凝土新老混凝土結(jié)合面向上30 cm布置第一層，再向上每隔50 cm布置一層。對每個縱梁和隔墻（邊墻及中墻）布置一根冷卻水管在隔墻的中剖面，采用內(nèi)徑Φ48 mm鋼管，壁厚3 mm。冷卻水溫度6、7、8月份采用15℃冷水，其他月份采用12 ℃冷水，冷卻通水時間3天，每12 h調(diào)換一次通水方向，通水流速不小于1.20 m/s?？紤]到在實際施工時，上述冷卻水管布置的剖面與預應力管布置的剖面重合，因此，可以考慮在隔墻兩側(cè)布置兩根內(nèi)徑Φ34 mm鋼管，冷卻水溫度6、7、8月份采用15 ℃冷水，其他月份采用12 ℃冷水，冷卻通水時間3天，每12 h調(diào)換一次通水方向，通水流速不小于1.20 m/s。通水時，應遵循“先通水后澆筑”的原則。由于C50混凝土前期1～2天內(nèi)發(fā)熱速度很快，發(fā)熱量較高，為了充分利用水管通水削峰的效果，應在澆筑混凝土前提前進行通水。

準備好冷卻水源、保溫材料、水表、水泵等后續(xù)溫控所需。現(xiàn)場按每個通水冷卻工作面配一臺LS100型的制冷機（41.868×104kJ/h），水溫按要求控制。拌和用冷卻水也采用LS100型的制冷機冷卻，以滿足拌制混凝土冷卻水的需求。為了減小施工現(xiàn)場冷卻水的“冷損”，建議采用300 m深井井水，用Φ100 mm的PE管埋入地表大于30 cm至施工現(xiàn)場，以滿足現(xiàn)場冷卻水的溫度和流量需要。

4.2 混凝土入倉前

混凝土入倉溫度控制在26 ℃。采用人工制冷水拌制混凝土，有關混凝土入倉前的出機口溫度和入倉溫度的控制方法請見相關規(guī)范。仿真分析顯示夏季30 ℃的混凝土入倉溫度對溫差和應力水平有一定的影響，在特別困難的情況下不得超過此溫度。

4.3 澆筑過程

要盡可能早地開始通冷卻水，應采用“邊澆筑邊通水”的方式，且在開始時要滿流量、大流速且低水溫的方式通水。同時，在澆筑過程應注意調(diào)整好流量、流速和水溫。

4.4 澆筑完成

（1）倉面保溫：混凝土澆筑完成后，應立即對倉面采用聚乙烯苯板覆蓋，且覆蓋盡量嚴密，尤其四周不能留有太大空隙，應用重物（如磚頭）壓密，避免漏風。倉面保溫持續(xù)8 d及以上。

（2）初始監(jiān)測和記錄：監(jiān)測和記錄內(nèi)容包括澆筑完成時間、天氣情況、氣溫、風速、水管流量（流速）、水溫、混凝土各測點溫度等數(shù)據(jù)和信息。

4.5 施工期

適時調(diào)整/改變水管通水過程：（1）在正常情況下，不同季節(jié)水管通水過程見表8所示。其中不同季節(jié)冷卻水溫度若采用地下水達不到要求，則應采用制冷水；（2）與溫控指標相比，若超過溫控指標，則在適當時刻加大通水力度（如降低冷卻水溫、增大流量等，以增大流量為主），若低于溫控指標，則應適當減小通水力度。

拆模：拆模時間根據(jù)施工進度和模板周轉(zhuǎn)需求合理確定，但需注意幾點：（1）拆模時間不能過短，過短易出現(xiàn)早期的表面裂縫，夏季不少于3 d，冬季不少于6 d；（2）拆模后應盡快用一層毛氈覆蓋，覆蓋7 d以上；（3）拆模后及時檢查表面是否開裂，做到邊拆模邊檢查邊覆蓋；（4）拆模時機選擇在日氣溫的較高時間段，例如高溫天氣的下午14：00時附近；（5）拆模的定義為松模瞬間，考慮松模到拆掉模板需要較長時間，而這段時間的養(yǎng)護非常關鍵。

掀除表面保溫：為了便于施工，不同結(jié)構采用相同保溫力度。需要指出，在掀除表面保溫后，應每隔一段時間檢查表面開裂情況，并及時反饋。

基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，施工過程中，通過溫度控制，墻身上部表面受壓，應力變化較緩，中部先受壓后受拉且應力變化較快，下部應力水平始終較低，老混凝土受壓增大。全部測點應力均無高于1 MPa的拉應力，滿足混凝土早期抗拉要求。

5 結(jié)論

牤牛河南支渡槽采用C50高性能混凝土，發(fā)熱速度快，發(fā)熱量高。對于槽身底板、側(cè)墻、縱梁和橫梁等薄壁結(jié)構，在澆筑早期容易出現(xiàn)較大的內(nèi)外溫差，導致表面產(chǎn)生較大拉應力，如果此時再有寒潮出現(xiàn)，極易產(chǎn)生“由外而內(nèi)”的表面裂縫，并可能進而發(fā)展成為貫穿性裂縫。

渡槽一旦出現(xiàn)表面裂縫或貫穿性裂縫，將會對其結(jié)構的整體性、安全性、抗?jié)B性和耐久性造成很大的影響，因此，必須采取措施控制渡槽混凝土的溫度應力，以有效防止裂縫，保證工程質(zhì)量。本次仿真計算的目的旨在遴選不同月份施工時渡槽混凝土的溫控措施及溫度控制指標，以指導施工，達到渡槽混凝土施工期防裂的目的。

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