船閘塢式結(jié)構(gòu)的尺寸和分縫對溫度應(yīng)力的影響

范焱斌，蔣明鋒，，陳亞嬌，凌 威，周千凱

（1.長沙市湘江綜合樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，長沙410000；2.長沙理工大學(xué)，長沙410076）

船閘塢式結(jié)構(gòu)的尺寸和分縫對溫度應(yīng)力的影響

范焱斌1，蔣明鋒1，2，陳亞嬌2，凌 威2，周千凱2

（1.長沙市湘江綜合樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，長沙410000；2.長沙理工大學(xué)，長沙410076）

文章以長沙綜合樞紐塢式船閘為例，采用數(shù)值分析方法，對塢式船閘閘室的溫度應(yīng)力進行了計算分析。結(jié)果表明：巖基上的塢式船閘在施工過程中，船閘的溫度應(yīng)力相對于恒載對結(jié)構(gòu)的影響更大，工程中應(yīng)給予充分考慮。為減小溫度應(yīng)力對混凝土結(jié)構(gòu)造成的不良影響，文中提出減小閘室底板以及閘首底板厚度，并在閘首底板設(shè)置橫向結(jié)構(gòu)縫等優(yōu)化措施，通過優(yōu)化前后的應(yīng)力對比，證實以上措施減小了溫度應(yīng)力及恒載應(yīng)力，效果良好。

巖基；塢室船閘；溫度應(yīng)力；徐變

長沙綜合樞紐雙線船閘設(shè)計噸位2 000 t，閘室有效尺寸280 m×34 m×4.5 m（長×寬×門檻水深），上閘首底檻高程為20.50 m。上閘首結(jié)構(gòu)采用塢式結(jié)構(gòu)設(shè)計，閘室第5-11結(jié)構(gòu)段作用在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的地基上，該段地基在順水流方向的地基有不同程度的風(fēng)化，在垂直水流方向則是由兩端地基條件較差的全風(fēng)化花崗巖和中間中風(fēng)化巖構(gòu)成，在該結(jié)構(gòu)段閘室亦采用塢室結(jié)構(gòu)。以長沙綜合樞紐船閘上閘首以及閘室塢式結(jié)構(gòu)段為例，對巖基上船閘結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力進行數(shù)值仿真計算分析。

1 基本理論及參數(shù)選取

1.1 混凝土溫度應(yīng)力計算理論

熱傳導(dǎo)建立了物體與時間和空間的關(guān)系，但滿足熱傳導(dǎo)方程的解有無限多個，為確定需要的溫度場，還必須知道初始條件和邊界條件［1］。

混凝土的熱傳導(dǎo)方程為

式中：T為溫度，℃；α為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；θ為混凝土的絕熱溫升，℃；τ為齡期，h。

1.2 考慮徐變的大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

在高應(yīng)力水平下，大體積混凝土處于非線性階段，即熱彈塑性階段。此時大體積混凝土發(fā)生非線性變形，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為非線性［2］。用有限元進行溫度應(yīng)力分析時，需要考慮由于塑性變形對溫度應(yīng)力的影響，再考慮徐變對大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響，按照熱塑性的形變理論，大體積混凝土的應(yīng)變增量Δεn包括彈性應(yīng)變增量、徐變應(yīng)變增量、溫度應(yīng)變增量和自生體積應(yīng)變增量。在溫度荷載作用下，混凝土在荷載作用下，其應(yīng)變可以表示為

構(gòu)造大體積混凝土熱彈塑性變形條件下溫度應(yīng)力分析的有限元格式［3］

式中：［Kn］為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；為位移增量為外荷載增量為徐變變形產(chǎn)生的荷載增量。

1.3 參數(shù)選取

（1）氣溫模擬。

由于氣溫隨時間不斷變化，文章按氣溫正弦規(guī)律對長沙氣溫進行擬合［4］，來模擬施工期氣溫的周期性變化，得到長沙綜合樞紐船閘工程船閘底板四月份開始施工大氣溫度見圖1。

（2）混凝土力學(xué)和熱學(xué)性能參數(shù)。

混凝土導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱c分別取值10.6 kJ/（h·m· 0.96kJ/（kg·℃），放熱系數(shù)β根據(jù)風(fēng)速不同取48.9kJ/（m2·h·℃）（風(fēng)速為0～2 m/s）、80 kJ/（m2·h·℃）（風(fēng)速為2～5 m/s）、∞（與水流接觸），混凝土線膨脹系數(shù)α取7.0×10-6/℃［5］?；炷粒–25）的彈性模量公式為

式中：E（τ）為混凝土彈性模量；τ為齡期；EO為τ→∞時的最終彈性模量。

混凝土（C25）的泊松比μ=0.167，密度ρ=2.5×103kg/m3，抗壓強度為1.67×106Pa，抗拉強度標準值為1.78×106Pa［6］。

（3）基巖熱力學(xué)性能參數(shù)。

根據(jù)地質(zhì)報告，中風(fēng)化花崗巖變形模量E=2.0×1010Pa，泊松比μ=0.25，基巖線膨脹系數(shù)α值取4.61×10-6/°C。

圖1 施工期氣溫示意圖Fig.1 Sketch of temperature during construction period

2 計算與分析

2.1 塢式閘室結(jié)構(gòu)計算結(jié)果分析

閘室底板原設(shè)計厚度為6 m，施工澆筑過程中，其恒載應(yīng)力出現(xiàn)2個峰值（0.04 MPa和1.07 MPa），分別于混凝土的膨脹期（澆筑后38 d左右）和收縮期（澆筑后250 d左右）。溫度應(yīng)力的情況與之類似，應(yīng)力值峰值分別為1.79 MPa和1.47 MPa。閘室底板施工過程中，恒載引起的混凝土最大拉應(yīng)力均小于溫度引起的混凝土最大拉應(yīng)力，溫度應(yīng)力影響較大，應(yīng)給予重視。

圖2 最高溫度歷時曲線對比Fig.2 Comparison of maximum temperature duration curves

圖3 最大溫度應(yīng)力歷時曲線對比Fig.3 Comparison of maximum temperature stress duration curve

計算出的溫度應(yīng)力值超過了混凝土極限拉應(yīng)力值［7］，底板混凝土澆筑31 d時出現(xiàn)最大拉應(yīng)力1.79 MPa（圖3），不滿足規(guī)范要求。由于減小混凝土的體積能使其內(nèi)部溫度向大氣擴散的距離縮短、速度加快，導(dǎo)致了混凝土的最高溫度降低，因此本文提出采用減小閘室底板的優(yōu)化方案，將底板厚度設(shè)計為5 m，并對其溫度場及溫度應(yīng)力進行計算。對于2種不同厚度的底板，其內(nèi)部最高溫度對比如圖2，優(yōu)化方案底板內(nèi)部最高溫度為38.2℃，出現(xiàn)在底板開始澆筑后的25 d，與原方案出現(xiàn)在第29 d的最高溫度39.3℃相比，板內(nèi)最高溫降低了1.1℃，而且出現(xiàn)的時間也提前了4 d。對底板厚度進行優(yōu)化以后，其溫度應(yīng)力與原方案相比兩峰值都有所減少（圖4），減少底板厚度溫度應(yīng)力在第一峰值處降低了0.42 MPa（23.5%），第二峰值處降低了0.12 MPa（8.1%）。優(yōu)化方案底板的最大應(yīng)力值為1.37 MPa，小于混凝土的最大抗拉值1.75 MPa，優(yōu)化效果明顯。

2.2 上閘首結(jié)構(gòu)計算分析

在原設(shè)計方案中，船閘上閘首底板厚度較大，最大厚度為9.1 m左右，平均厚度達到5.5 m，溫度應(yīng)力問題比較顯著。對上閘首結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，將上游底板平均厚度由6.6 m減至5 m。

（1）減小底板厚度對溫度應(yīng)力的影響分析。如圖4所示，優(yōu)化方案中，在混凝土澆筑初期的40 d左右最高溫度達到了39℃，比原方案中最高溫度42.7℃有所降低，而且出現(xiàn)的時間提前20 d左右。2種方案中，最大溫度應(yīng)力值均出現(xiàn)在中底板表面中部位置，原方案其值為1.72 MPa，優(yōu)化方案其值為1.26 MPa。因此，適當(dāng)減小底板措施的方案優(yōu)化效果明顯。

（2）結(jié)構(gòu)縫對溫度應(yīng)力的影響分析。一般而言，優(yōu)化混凝土材料以及保溫措施能一定程度上減小溫度應(yīng)力，防止溫度裂縫的產(chǎn)生［8］，而利用結(jié)構(gòu)縫也是減小溫度應(yīng)力的措施之一。對于上閘首結(jié)構(gòu)，減小底板厚度的措施整體上優(yōu)化效果良好，但在某些局部范圍內(nèi)優(yōu)化效果并不明顯，因此采用設(shè)置結(jié)構(gòu)縫的措施進行進一步優(yōu)化。船閘上閘首沿垂直水流方向設(shè)置一結(jié)構(gòu)縫，結(jié)構(gòu)縫距閘首上游邊16 m，寬度為20 mm，以減小底板的恒載應(yīng)力及溫度應(yīng)力。利用有限元模型模擬閘首底板的施工過程（同樣采用分層澆筑施工方法），對底板施工期產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和恒載應(yīng)力進行分析。通過表1的結(jié)果對比可知，上閘首結(jié)構(gòu)在設(shè)置橫向結(jié)構(gòu)縫后，垂直水流方向的最大恒載應(yīng)力值略有減小，順水流方向的最大溫度應(yīng)力值也有所減小，說明結(jié)構(gòu)縫起到了減小混凝土拉應(yīng)力的效果。

圖4 混凝土最高溫度歷時曲線對比Fig.4 Comparison of maximum temperature duration curves

應(yīng)力方向 結(jié)構(gòu)縫設(shè)置 溫度應(yīng)力 恒載拉應(yīng)力 控制拉應(yīng)力垂直水流方向 有橫向結(jié)構(gòu)縫 1.72 0.06 1.78無橫向結(jié)構(gòu)縫 1.72 0.083 1.803順水流方向 有橫向結(jié)構(gòu)縫 1.34 0.10 1.44無橫向結(jié)構(gòu)縫 1.68 0.10 1.78

3 結(jié)論

本文以長沙綜合樞紐塢式船閘為例，對巖基上塢式船閘大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程進行仿真計算，并得到以下結(jié)論：

（1）在施工過程中溫度應(yīng)力相對恒載影響較大，在施工設(shè)計中應(yīng)給予充分考慮。

（2）對船閘閘室底板進行底板厚度的優(yōu)化，減小了混凝土的溫度應(yīng)力，優(yōu)化效果明顯。

（3）對船閘上閘首底板進行優(yōu)化，采用減小底板厚度的措施減小了其溫度應(yīng)力，并設(shè)置橫向結(jié)構(gòu)縫，同樣也減小了某些方向上的溫度應(yīng)力及恒載應(yīng)力。

［1］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京:中國電力出版社，2003:1-738.

［2］Nobuhiro M，Kazuo U.Nonlinear Stress Analysis of A Massive Concrete Structure［J］.Computers and structures，1987，26:1-2.

［3］朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［4］DL5077-1997，水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］191-2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］JTS202-1-2010，水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程［S］.

［7］梅甫良，曾德順.混凝土結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)溫度場的新解法［J］.水利學(xué)報，2002（9）:9-12. MEI F L，ZENG D S.New method for calculation of transient temperature field in concrete structure［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2002（9）:9-12.

［8］潘家錚，郭之章，傅華.水工建筑物的溫度控制［M］.北京:水利電力出版社，1990：1-300.

長江航運技術(shù)行業(yè)研發(fā)中心成立

本刊從長江航務(wù)管理局獲悉，“長江航運技術(shù)行業(yè)研發(fā)中心”于近日成立。這是交通運輸部為完善交通科技創(chuàng)新體系、提升行業(yè)科技創(chuàng)新能力而組建的首個行業(yè)研發(fā)中心。據(jù)介紹，該中心成立后，將面向內(nèi)河航運行業(yè)，圍繞航道整治與維護、樞紐通航、水上交通安全與防污染以及信息與智能航運等方面開展新技術(shù)、新工藝、新材料、新裝置的技術(shù)研究，強化科技成果向行業(yè)工程化應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化推廣，提升行業(yè)科技含量，在水運資源優(yōu)勢利用、綜合運輸體系發(fā)展、帶動流域經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護及技術(shù)人才培養(yǎng)等方面發(fā)揮巨大的社會效益和環(huán)境效益。（殷缶，梅深）

珠江上游紅水河斷航36 a后即將復(fù)航

本刊從廣西港航局獲悉，珠江上游紅水河斷航36 a后，即將迎來復(fù)航。這意味著中國西南水運出海中線通道龍灘電站以下將全線貫通，成為連通粵、桂、黔三地的重要紐帶。1975年，廣西大化水電站開工建設(shè)，由于當(dāng)時水電站未同步建過船設(shè)施，紅水河斷航。紅水河因為長期停航，成為西南水運出海的"瓶頸"。2010年6月17日，西南水運出海通道工程（曹渡河口至橋鞏段）宣告開工，并被列為自治區(qū)層面統(tǒng)籌推進的重大項目。工程從紅水河曹渡河口至橋鞏船閘段，全長共約450 km，廣西投入1．3億元進行整治，全線按通行500 t級船舶的標準建設(shè)，共整治43個灘險，建立航標等相關(guān)配套設(shè)施工作，航道整治主體工程于2011年12月28日完成。至此，紅水河天峨以下已具備通航條件。（殷缶，梅深）

Influence of size and joint of unitary lock on temperature stress

FAN Yan-bin1，JIANG Ming-feng1，2，CHEN Ya-jiao2，LING Wei2，ZHOU Qian-kai2
（1.Changsha Xiangjiang River Comprehensive Hub Development Co.，Ltd.，Changsha 410000，China；
2.Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China）

Adopting the method of data analysis，the dock structure of Changsha comprehensive hub was taken as an example in this paper，and the temperature stress of the dock chamber was calculated and analyzed. The result shows that during the construction of unitary lock on rock foundation，temperature stress plays a more important role than the constant load on structure，which should be fully considered.In order to reduce the bad effect of temperature stress，the measures of reducing thickness of baseboards on lock chamber and lock head and using the baseboard with horizontal gaps on lock head are put forward.In the contrast experiment，the optimized design is proved to be effective in reducing the temperature stress and constant load stress.

rock foundation；unitary lock；temperature stress；creep

U 641.3；TV 331

A

1005-8443（2012）02-0159-04

2011-11-16；

2011-12-26

范焱斌（1971-），男，湖南省長沙人，高級工程師，主要從事港航工程設(shè)計及管理工作。Biography：FAN Yan-bin（1971-），male，senior engineer.