鄧遠(yuǎn)新，楊李川

(1.廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 510199；2.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，武漢 430072)

大型渡槽多為薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度方向尺寸大于壁厚，其溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力變化規(guī)律與大體積混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的變化規(guī)律相比差異較大[1]。相較于水利水電工程中常見的大體積混凝土，渡槽類薄壁混凝土結(jié)構(gòu)在溫控方面特點(diǎn)：① 渡槽形式單薄、約束明顯，對(duì)外界環(huán)境氣溫變化尤為敏感，施工期溫升和溫降幅度較大體積混凝土顯著增大，另外其受底部基礎(chǔ)的約束作用也更為明顯，是施工期溫度裂縫的開裂誘因；② 渡槽通常采用高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，其具有水泥用量多、水化熱量大且早期集中釋放、彈性模量大和自生體積變形大等特性，這些特性使其開裂現(xiàn)象更加普遍[2-3]，嚴(yán)重影響工程的建設(shè)質(zhì)量和耐久性。

國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)于渡槽等薄壁結(jié)構(gòu)施工期溫度應(yīng)力做了大量研究。文獻(xiàn)[4]針對(duì)空箱閘室薄壁混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工期溫控防裂計(jì)算分析，指出側(cè)墻外表面是開裂最危險(xiǎn)部位，并對(duì)保溫板厚度進(jìn)行了優(yōu)化比選。文獻(xiàn)[5]利用有限單元法計(jì)算分析了渡槽主梁、邊墻、次梁、底板的施工期裂縫形成原因，主要是由于混凝土早期溫升導(dǎo)致的表面受拉開裂和后期溫降導(dǎo)致的內(nèi)部受拉開裂。文獻(xiàn)[6]針對(duì)渡槽施工期中的縱梁、橫梁、豎墻、底板等部位的應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象提出了模板內(nèi)表面貼保溫板的措施，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了該措施能有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差和溫度應(yīng)力，以及新老混凝土結(jié)合面應(yīng)力。文獻(xiàn)[7]驗(yàn)證了夏季內(nèi)降外保(內(nèi)通冷卻水、外貼保溫板)和冬季貼保溫板的溫控防裂效果，采用的技術(shù)措施可有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差及后期降溫速率，減小溫度應(yīng)力。文獻(xiàn)[8]分析了晝夜溫差對(duì)施工期渡槽結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果說(shuō)明晝夜溫差作用會(huì)使結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部均產(chǎn)生較大應(yīng)力波動(dòng)，對(duì)施工期溫控防裂不利。文獻(xiàn)[9]在考慮晝夜溫差的前提下，分析了偶遇寒潮對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)早期溫度和應(yīng)力的影響，計(jì)算表明靠近頂板的側(cè)墻上部為開裂危險(xiǎn)部位，且其應(yīng)力的波動(dòng)幅度與氣溫變幅成正比。

以上研究對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)施工期的開裂部位及原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并且驗(yàn)證了傳統(tǒng)保溫措施對(duì)防止開裂能起到一定作用，但在高溫和低溫季節(jié)施工期的溫控防裂新方法及其效用方面缺少系統(tǒng)分析。為填補(bǔ)這一空缺，本文借鑒以往渡槽溫控防裂經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合鄂北調(diào)水工程中的渡槽工程實(shí)際，開展了七方渡槽施工期溫控防裂仿真分析研究，針對(duì)高溫和低溫季節(jié)的薄壁渡槽槽身施工期進(jìn)行了溫度和應(yīng)力分析，分別提出了模板外貼保溫板和蒸汽大棚保溫的溫控技術(shù)方案，為溫控防裂方案的合理制定提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程棗陽(yáng)段七方渡槽總長(zhǎng)為 4 020 m，共134跨，為30 m一跨，是目前世界上已建或在建的長(zhǎng)度最長(zhǎng)現(xiàn)澆梁式渡槽。槽身混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)為C50W8F150，屬高強(qiáng)高性能預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，采用現(xiàn)澆施工，單槽槽身分兩層澆筑。槽身結(jié)構(gòu)形式為單孔梁式預(yù)應(yīng)力矩形槽，采用三向預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。單槽橫斷面尺寸：內(nèi)輪廓為6.4 m×4.9 m(凈寬×凈高)，外輪廓為8.6 m×7.0～6.5 m，底板厚為0.4 m，邊墻厚度為0.5 m，空槽重量約為1 135 t。槽身上部設(shè)拉桿，外設(shè)底肋、側(cè)肋。渡槽槽身跨中橫斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 七方渡槽槽身跨中橫斷面結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

2 薄壁渡槽開裂原因及溫控防裂重難點(diǎn)分析

2.1 薄壁渡槽開裂原因

薄壁渡槽結(jié)構(gòu)施工期裂縫根據(jù)出現(xiàn)時(shí)間可分為早期裂縫、后期裂縫兩種。早期裂縫主要出現(xiàn)在澆筑初期，由于水泥水化反應(yīng)的影響，薄壁渡槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度在短時(shí)期內(nèi)大幅升高，外部混凝土由于散熱快而溫度相對(duì)較低，形成內(nèi)外溫差。過(guò)大的內(nèi)外溫差導(dǎo)致薄壁渡槽結(jié)構(gòu)內(nèi)外變形不一致，產(chǎn)生相對(duì)變形，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)結(jié)構(gòu)表面因溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土在此刻的抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

降溫階段，由于薄壁渡槽結(jié)構(gòu)受外界溫度影響大，內(nèi)部溫降幅度大，產(chǎn)生收縮變形，過(guò)大的收縮變形使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部早期的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。當(dāng)由于溫縮造成的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)裂縫就產(chǎn)生了。隨著裂縫向表面的發(fā)展，最終將形成貫通裂縫，這種裂縫稱為后期裂縫[10]。

2.2 溫控防裂重難點(diǎn)分析

基于上述薄壁渡槽混凝土溫度裂縫形成機(jī)理可知，如何有效控制混凝土內(nèi)外溫差、減小結(jié)構(gòu)溫降幅度是渡槽溫控防裂中最重要的難題。本文針對(duì)這一難點(diǎn)，從降低外界溫度對(duì)薄壁渡槽影響的角度出發(fā)，提出了夏季采用模板外粘保溫板和冬季采用蒸汽大棚保溫的方法，以抑制內(nèi)外溫差增大、減小溫降幅度。夏季模板外粘保溫板，即在模板表面粘貼一定厚度高發(fā)泡EPE聚乙烯保溫材料進(jìn)行保溫；冬季蒸汽大棚保溫，即對(duì)整跨渡槽進(jìn)行封閉覆蓋式蒸汽蒸養(yǎng)，防止渡槽混凝土暴露在大風(fēng)、低溫的外部環(huán)境中。下文則通過(guò)渡槽施工期全過(guò)程的有限元仿真計(jì)算，旨在驗(yàn)證上述溫控措施對(duì)渡槽防裂的積極效用。

3 計(jì)算模型及工況

3.1 計(jì)算模型

槽身混凝土各項(xiàng)參數(shù)見表1所示。

表1 槽身混凝土各項(xiàng)參數(shù)

計(jì)算中考慮混凝土材料參數(shù)及水泥水化熱隨齡期的變化，各參數(shù)的擬合關(guān)系式如下[11]。

混凝土彈性模量：

E(τ)=36.7(1-e-0.40τ0.60) (GPa)

(1)

混凝土抗拉強(qiáng)度：

R(τ)=3.12(1-e-0.586τ0.576)

(2)

混凝土自生體積變形：

εV=186.66

(3)

式中：

τ——混凝土齡期，d。

棗陽(yáng)當(dāng)?shù)?月和12月的多年月平均氣溫分別為27.6℃和4.2℃。

槽身分兩層澆筑，第1層澆筑縱梁、底肋及底板以上至墻體底“八”字以上垂直段50 cm處；第2層澆筑上部結(jié)構(gòu)，包括墻體、人行道及拉桿梁；第1層和第2層澆筑間歇7 d，總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為35 d。由于渡槽槽身配筋率較低，對(duì)內(nèi)部混凝土導(dǎo)熱性能的影響十分有限，槽身鋼筋對(duì)施工期混凝土的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力影響很小，另外預(yù)應(yīng)力鋼筋一般在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后才進(jìn)行張拉，對(duì)施工期內(nèi)的溫度裂縫和收縮裂縫問(wèn)題也并未起到效用，因此，計(jì)算中不考慮鋼筋作用[12]。槽身有限元模型如圖2所示。

圖2 槽身有限元模型示意

在溫度場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí)，假定槽身主梁與槽墩連接的面為絕熱邊界，其他面為熱量交換邊界；在應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí)，對(duì)槽身主梁與槽墩連接的面施加全約束，同時(shí)考慮施工過(guò)程中槽身混凝土底面采用碗扣式(扣件架)落地滿堂支撐，因此，對(duì)槽身混凝土結(jié)構(gòu)底面施加豎向約束。

仿真計(jì)算采用基于水化度的混凝土溫度與應(yīng)力計(jì)算理論與模型，考慮水化反應(yīng)本身對(duì)混凝土絕熱溫升、彈性模量以及抗拉強(qiáng)度的影響。計(jì)算過(guò)程中考慮的荷載除了包括混凝土結(jié)構(gòu)的溫度荷載外，還有混凝土自重和體積變形引起的荷載等。

計(jì)算考察槽身主梁、底板、次梁及側(cè)墻4個(gè)部位的溫度和應(yīng)力狀況，每個(gè)部位內(nèi)外各選取1個(gè)特征點(diǎn)，共8個(gè)特征點(diǎn)(如圖3所示)。

圖3 渡槽特征點(diǎn)點(diǎn)示意

其中主梁特征點(diǎn)1、2位于鄰近跨中斷面的a-a斷面上(如圖4所示)；點(diǎn)3～8位于跨中斷面上。

圖4 主梁特征點(diǎn)點(diǎn)所處斷面示意

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)施工進(jìn)度和邊界條件計(jì)算渡槽溫度場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各時(shí)段的溫度應(yīng)力計(jì)算，據(jù)此評(píng)判混凝土的溫度拉應(yīng)力是否超出允許范圍，計(jì)算采用的主要工況見表2所示。

表2 計(jì)算工況 ℃

4 計(jì)算結(jié)果分析

1) 開裂危險(xiǎn)部位確定

工況1下渡槽槽身各部位特征點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線如圖5所示。

圖5 工況1槽身各部位特征點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線示意

由圖5可知，槽身混凝土澆筑后，由于水泥水化熱的作用，溫度急劇上升，其中主梁溫度峰值最高，主梁中心點(diǎn)在1.5 d左右達(dá)到最大值50.97℃；由于澆筑時(shí)采用鋼模板且未采取其他保溫措施，主梁臨空面相當(dāng)于直接與空氣接觸，放熱較快，因此，主梁外表面點(diǎn)溫度最大值僅為37.47℃，且達(dá)到峰值時(shí)間較中心點(diǎn)縮短，約在澆筑后0.9 d。主梁各部位溫度達(dá)到峰值后，由于混凝土表面的散熱，混凝土溫度下降很快，以中心點(diǎn)為例，達(dá)到溫度峰值后10 d下降了21.22℃，平均每天下降2.12℃。主梁混凝土在澆筑后1.8 d左右內(nèi)外溫差達(dá)到最大值14.50℃。

底板、次梁和側(cè)墻混凝土的溫度變化規(guī)律與主梁相似，具體溫度特征值見表3所示。

表3 工況1槽身各部位特征點(diǎn)溫度特征值

工況1下槽身各部位特征點(diǎn)的第一主應(yīng)力如圖6所示。

圖6 工況1槽身主梁第一主應(yīng)力歷時(shí)曲線示意

由圖6可知，主梁中心點(diǎn)應(yīng)力隨內(nèi)外溫差增大而呈受壓狀態(tài)，外表面點(diǎn)應(yīng)力隨內(nèi)外溫差增大而呈受拉狀態(tài)，在內(nèi)外溫差達(dá)到最大值時(shí)，內(nèi)部混凝土壓應(yīng)力和外部混凝土拉應(yīng)力均達(dá)到最大狀態(tài)，且外部混凝土應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，可能會(huì)出現(xiàn)“自外而內(nèi)”的表面裂縫。之后，隨著內(nèi)外溫差的減小，主梁中心點(diǎn)的壓應(yīng)力和外表面點(diǎn)的拉應(yīng)力均呈逐漸減小的趨勢(shì)，直至穩(wěn)定。

通過(guò)以上分析可知，渡槽槽身混凝土施工中，主梁的最高溫度、內(nèi)外溫差以及外表面拉應(yīng)力均最大，是溫度裂縫產(chǎn)生的最危險(xiǎn)部位，故以下各工況對(duì)比分析中，主要考察主梁溫度和應(yīng)力情況。

2) 夏季模板外粘保溫板

工況2中模板外貼2 cm厚EPE保溫板，工況3中模板外貼3 cm厚EPE保溫板。混凝土與空氣接觸時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)取β=53.0 kJ/(m2·h·℃)。當(dāng)混凝土表面存在模板和保溫材料時(shí)，按下式計(jì)算等效對(duì)流換熱系數(shù)：

(4)

式中：

δi——各種保溫材料或模板的厚度，m；

λi——各種保溫材料或模板的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃)；

βq——表面空氣或水的對(duì)流換熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)。

由上式計(jì)算得模板外貼2 cm和3 cm的EPE保溫板時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)分別為6.34 kJ/(m2·h·℃)和4.40 kJ/(m2·h·℃)。工況1、工況2、工況3下主梁特征點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線分別如圖7所示。

圖7 各工況下主梁特征點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線示意

由圖7可知，模板外貼保溫板后，內(nèi)外溫度峰值均明顯升高，溫度上升和下降的幅度明顯減小。工況1主梁內(nèi)外溫差最大值為14.50℃，工況2主梁內(nèi)外溫差最大值為5.37℃，工況3主梁內(nèi)外溫差最大值為4.17℃，可見外貼保溫板能有效降低混凝土內(nèi)外溫差。

但工況3中主梁中心點(diǎn)最大溫度為61.82℃，超過(guò)了設(shè)計(jì)溫控指標(biāo)中指定的混凝土內(nèi)部允許最高溫度60℃，因此，不宜采用。

進(jìn)一步分析工況2下主梁應(yīng)力狀態(tài)，其特征點(diǎn)的第一主應(yīng)力歷時(shí)曲線如圖8所示。

圖8 工況1、2主梁特征點(diǎn)第一主應(yīng)力歷時(shí)曲線示意

由圖8可知，模板外貼2 cm保溫板能有效降低主梁外表面點(diǎn)的拉應(yīng)力至混凝土抗拉強(qiáng)度以下。原因在于，外貼保溫板通過(guò)降低混凝土表面散熱，縮小了混凝土內(nèi)外溫差，進(jìn)而降低了其外表面的拉應(yīng)力值。

綜上所述，夏季槽身混凝土施工中，采用模板外貼EPE保溫板的溫控措施效果良好，能有效降低施工期開裂的風(fēng)險(xiǎn)。2 cm厚度的保溫板既能滿足主梁外表面拉應(yīng)力降低到抗拉強(qiáng)度以下，又避免了內(nèi)部溫度過(guò)高超過(guò)允許值，為合適厚度。

3) 冬季蒸汽大棚

工況4、5下的主梁特征點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線如圖9所示。

圖9 工況4、5主梁特征點(diǎn)第一主應(yīng)力歷時(shí)曲線示意

由圖9可知，采用蒸汽大棚保溫，增大了主梁混凝土溫度峰值，但有效減小了主梁內(nèi)外溫差，明顯減緩了主梁混凝土降溫階段的溫降絕對(duì)值及溫降幅度，兩工況主梁特征點(diǎn)具體溫度特征值見表4所示。

表4 工況4、5主梁特征點(diǎn)溫度特征值 ℃

由圖9可知，工況5采用蒸汽大棚保溫時(shí)，主梁外表面點(diǎn)拉應(yīng)力始終處于安全范圍，而對(duì)工況4直接處于外界氣溫下的主梁外表面拉應(yīng)力，在澆筑后的2d內(nèi)十分接近混凝土抗拉強(qiáng)度，極易發(fā)生開裂。原因在于處于外界低溫環(huán)境下的主梁外表面，其散熱加快，使得溫升期內(nèi)外溫差過(guò)大，導(dǎo)致表面拉應(yīng)力增大，而大棚內(nèi)的適宜溫度環(huán)境有效減緩了混凝土表面散熱，抑制了內(nèi)外溫差的進(jìn)一步加大。

綜上所述，冬季槽身混凝土施工中采用蒸汽大棚保溫，可以有效抵御因混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大導(dǎo)致的開裂。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)有限元計(jì)算模擬了七方渡槽槽身混凝土施工全過(guò)程，通過(guò)溫度及應(yīng)力情況分析，判斷了主梁為溫度裂縫產(chǎn)生的最危險(xiǎn)部位。并以主梁內(nèi)外溫差、最高溫度以及表面拉應(yīng)力為依據(jù)，對(duì)比分析了夏季、冬季是否采用溫控措施的各個(gè)工況，驗(yàn)證了夏季模板外粘保溫板、冬季采用蒸汽大棚保溫能有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差、減小溫度應(yīng)力至安全范圍，并且確定了夏季渡槽槽身施工中模板外貼保溫板適宜厚度為2cm，為七方渡槽槽身混凝土溫控防裂措施的制定提供了技術(shù)依據(jù)。