水工建筑物墩墻溫度應力分析與抗裂暗梁的設計研究

楊俊敬，康立榮，朱慶華

(江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225009)

0 引言

水閘、泵站和船閘為常見水工建筑物，其墩墻底部在溫度應力及底板約束應力作用下，易出現貫穿性裂縫。特別在施工中廣泛采用泵送混凝土施工工藝后，防裂問題變得更加棘手和突出［1－2］。目前，有關混凝土抗裂的研究和措施相當多，但普遍著重于施工工藝方面［3－5］，比如混凝土的施工配合比、施工分層方法等。施工中雖然采取了一些抗裂措施，墩墻仍出現一定數量的貫穿性裂縫，一些墩墻的配筋率雖然達到甚至超過了規(guī)范的要求，還仍有裂縫發(fā)生［6－8］，說明僅靠優(yōu)化施工工藝和適當增加配筋率并不能控制墩墻裂縫，必須對抗裂設計構造采取有效措施，才能避免有害裂縫的出現，從而確保工程質量。

借鑒工業(yè)與民用建筑設計中的暗梁布置理念［9－11］，結合南水北調某工程船閘、節(jié)制閘的設計與施工建設，提出了墩墻配置暗梁抗裂的設計方案，對墩墻抗裂設計的必要性、抗裂暗梁設計方法進行了探討，工程實施效果表明，該設計方法效果良好。

1 墩墻溫度應力計算

墩墻裂縫的成因，主要是混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，引起墩墻內、外產生較大溫差，由于受到基礎或老混凝土的約束，混凝土內部出現較大的拉應力，當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現裂縫。水利或水運鋼筋混凝土設計規(guī)范雖然允許結構按所處環(huán)境條件存在一定寬度的裂縫，但在施工中應盡量采取有效措施來控制裂縫產生，使結構盡可能不出現裂縫或盡量減少裂縫的數量和寬度，尤其要盡量避免有害裂縫的出現，從而確保工程質量。

在目前水利與水運鋼筋混凝土結構設計規(guī)范中，分別編制了混凝土溫度應力計算方法，2種規(guī)范的規(guī)定要求不完全一致。現以南水北調某工程船閘導航墻為實例進行計算，該節(jié)墩墻長22.0 m，高10.0 m，厚0.7 m，混凝土強度等級為C25，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，混凝土水泥用量為271 kg/m3。根據工程經驗，計算部位取距底板1/5墻高，該部位容易出現裂縫。

1.1 水運規(guī)范計算方法

根據JTJ 252—1987《干船塢設計規(guī)范(水工結構)》［12］，澆筑于下層混凝土塊體上的被約束混凝土塊體，可按下式近似計算其x向中斷面較大約束應力部位的約束應力

式中:α為混凝土線膨脹系數，α=1×10－5;μ為泊松比，μ=1/6;i為下層混凝土塊體平均溫度變化值;Δtx為被約束混凝土塊在所求點高度處的平均溫度變化值;E為彈性模量;R為約束系數。

按一定齡期內混凝土水化熱絕熱溫升的平均值計算

式中:th為水化熱絕熱溫升，℃;W為混凝土中的水泥用量，W=271 kg/m3;Q0是水泥最終發(fā)熱量，對于P.O 42.5水泥，3d齡期Q0=256kJ/kg，7d齡期Q0=299kJ/kg;ch為混凝土的比熱容，ch=960J/(kg·K);ρ為混凝土質量密度，取2350kg/m3。

約束系數

式中:R'為形位參數;A0，E0分別為下部混凝土塊體的截面積和彈性模量;A，E為被約束塊體的截面積和彈性模量。E可根據齡期計算

式中:EC(28)為混凝土28 d彈性模量，強度等級為C28的混凝土彈性模量，EC(28)=2.8×104MPa;t為澆筑后的時間，d。

式(3)中的R'根據被約束塊體的長高比和計算部位的相對高度進行確定，查JTJ 252—1987《干船塢設計規(guī)范(水工結構)》，查得R'=0.65。

混凝土溫度應力應滿足下式規(guī)定

式中:Kf為安全系數，取Kf=1.4?；炷猎邶g期t時的抗裂設計強度Rf(t)估算

式中:ΔR為常數，對于強度等級C25的混凝土，取ΔR=0。

1.2 水利規(guī)范計算方法

SL 191—2008《水工混凝土結構設計規(guī)范》［13］規(guī)定，大體積混凝土結構在溫度作用下的抗裂驗算應滿足以下要求:

式中:σ*(t)為計算時刻t時的溫度應力;t為計算時刻的混凝土齡期;εε(t)為計算時刻t時的混凝土允許拉力應變;εε(28)為28 d齡期混凝土的拉應變，對強度等級為C25的混凝土取0.6×10－4;Ec(t)為計算時刻t時的混凝土彈性模量，按式(4)計算。

1.3 計算結果分析

3d，7d齡期下墩墻混凝土的溫度約束應力計算結果見表1，計算結果表明，澆筑初期的墩墻混凝土溫度應力大于水運或水利規(guī)范允許抗裂應力，在拆模之前墩墻內部混凝土就可能產生貫穿性裂縫，在工程設計時，應考慮有效措施控制貫穿性裂縫產生。

2 抗裂暗梁設計

近年來已有一些工程嘗試在易產生裂縫的墩墻部位設置抗裂暗梁，用以控制溫度應力產生的裂縫［14－15］。鋼筋與混凝土的黏結作用按28 d齡期強度進行計算，而混凝土初期強度不斷變化，暗梁的作用機制目前尚無成熟的計算公式，抗裂暗梁配置也無規(guī)范或規(guī)程要求，水工設計中的應用尚不多見。

南水北調工程某水閘、船閘墩墻均按常規(guī)設計，盡管采取了一系列抗裂施工工藝措施，但第1階段施工的船閘閘室墻和部分翼墻、導航墻，墩墻仍然出現了少量貫穿性裂縫，裂縫一般出現在距底板1/5墻高位置，說明由溫度應力引起的裂縫僅靠施工措施是很難避免的，還應從設計上采取措施。鑒于此，對第2階段施工的其他建筑物，在加強抗裂施工措施的同時，增加了墩墻抗裂暗梁設計。

根據墩墻溫度應力計算結果和對第1階段的施工總結，在距底板1/5墻高結合立模對銷螺栓布置暗梁，暗梁構造參考其他工程經驗，依墩墻厚度配置4根或6根鋼筋，分上、下2層，布置在墩墻中間1/2墻厚范圍。該工程典型墩墻抗裂暗梁的設計主要有:

(1)船閘導航墻和節(jié)制閘翼墻，長度15～25 m，高度10 m，厚度60 cm，在距底板2 m高的墩墻中心配置4根? 22 mm鋼筋，鋼筋水平間距30 cm，豎向間距60 cm。

(2)節(jié)制閘中墩，長度20m，高度10m，厚度130 cm，在距底板2 m高的墩墻中心配置6根? 22 mm鋼筋，鋼筋水平間距2行35 cm，豎向間距60 cm。

(3)節(jié)制閘縫墩，長度20 m，高度10 m，厚度90 cm，在距底板2 m高的墩墻中心配置6根? 22 mm鋼筋，鋼筋水平間距2行25 cm，豎向間距60 cm。

3 暗梁抗裂效果分析

表1 各齡期下墩墻混凝土的溫度約束應力計算結果

該工程主體建筑物施工結束后，不同構造、不同季節(jié)澆筑的墩墻裂縫情況的統(tǒng)計分析結果見表2。

從表2可以看出，即便是在氣溫適中的春、秋季澆筑墩墻，通過單一的施工工藝措施也難以完全控制裂縫的產生。墩墻采用抗裂暗梁后，無論是在什么季節(jié)澆筑，抗裂效果都比較明顯，說明抗裂暗梁達到了預期的設計效果，墩墻抗裂暗梁布置與構造設計比較合適。

表2 南水北調某工程墩墻暗梁抗裂效果對比

4 結論

墩墻與底板混凝土澆筑存在一定的施工間隔，在混凝土初期，墩墻與底板混凝土彈性模量不一致，底板對澆筑初期的墩墻存在約束作用。墩墻溫度應力計算和現場觀測結果表明，墩墻內部混凝土初期溫度應力會超過允許應力，存在從內部產生裂縫的可能，僅靠單一的施工工藝措施難以避免墩墻出現裂縫。合理配置墩墻抗裂暗梁，可有效控制混凝土裂縫尤其是貫穿性裂縫的發(fā)生，是一種作用比較明顯的抗裂設計措施。暗梁宜在距底板1/5墻高左右結合立模對銷螺栓進行布置，依墩墻厚度配置4根或6根鋼筋，分上、下2層，布置在墩墻中間1/2厚度范圍內。

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