梅河倒虹吸施工期高溫季節(jié)溫控防裂研究

□周建平 □劉福友 □梁 峰(中國水利水電第七工程局有限公司)

□張 文（新安縣水利局）

倒虹吸管身段屬水工薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，據(jù)以往同類工程的經(jīng)驗，薄壁結(jié)構(gòu)混凝土很容易在早期溫升和后期溫降階段產(chǎn)生溫度和收縮裂縫，特別是結(jié)構(gòu)長度方向的中間部位易出現(xiàn)“上不著頂、下不著底”、“中間寬、兩端尖”的“棗核形”豎直型斜縫，甚至有時會出現(xiàn)多條裂縫。針對南水北調(diào)工程梅河倒虹吸的工程特點，進行倒虹吸溫度場和應力場的有限單元法數(shù)值仿真的建模和計算。

梅河渠道倒虹吸管身段共分14節(jié)，單孔結(jié)構(gòu)尺寸為7.0m×6.75m（寬×高），橫向共4孔，分為兩聯(lián)，一聯(lián)2孔的箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩聯(lián)中間設(shè)2cm寬沉陷縫。倒虹吸邊墻厚度采用1.2m，中墻厚1.1m，縫墻1.2m，底板厚1.3m，頂板厚1.3m，為解決應力集中問題，在倒虹吸頂、底板與邊墻及中墻交接部位設(shè)置0.5m×0.5m貼角。為盡量減少水頭損失，在倒虹吸進口頂部設(shè)圓弧，倒虹斜管與水平段采用折管連接，抹角。倒虹吸管身段混凝土標號均采用C30。

1.仿真計算基礎(chǔ)資料

1.1 混凝土配合比

混凝土以監(jiān)理批準的混凝土配合比進行拌制，結(jié)合砂子的細度模數(shù)、砂石料的實際含水量，混凝土拌和嚴格按實際施工配料單進行，控制配料稱量偏差不得超出規(guī)范允許范圍，對含氣量、溫度、水膠比等按相關(guān)規(guī)范進行檢查，施工過程中設(shè)專人檢查并做好記錄。拌和時間不得少于規(guī)范要求，在拌和站出機口應對混凝土溫度及塌落度進行檢測記錄，及時調(diào)整，不合格混凝土料不允許使用，初始混凝土配合比見表1，其微調(diào)暫不考慮對熱學性能的影響。

表1 C30W 6F150初始混凝土配合比表

1.2 力學參數(shù)

由于缺乏實測的混凝土物理力學性能，憑經(jīng)驗取混凝土彈性模量計算式為（GPa）：

混凝土抗拉強度計算式為（MPa）：

后文中的允許抗拉強度為抗拉強度除以1.65的安全系數(shù)所得。

混凝土自生體積變形取為，（單位為：×10-6）

泊松比μ：0.22025

密度ρ：2376kg/m3

徐變度：（106/MPa），由于缺少試驗資料，按朱伯芳的經(jīng)驗公式選取。

2.計算模型

2.1 計算區(qū)域

管身水平投影總長180m。倒虹吸管身段共分14節(jié)，單孔結(jié)構(gòu)尺寸為7.0m×6.75m（寬×高），橫向共4孔，分為兩聯(lián)，一聯(lián)2孔的箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩聯(lián)中間設(shè)2cm寬沉陷縫。倒虹吸邊墻厚度采用1.2m，中墻厚1.1m，縫墻1.2m，底板厚1.3m，頂板厚1.3m，為解決應力集中問題，在倒虹吸頂、底板與邊墻及中墻交接部位設(shè)置0.5m×0.5m貼角。

圖1 管身段橫截面圖（cm）

2.2 單元劃分

根據(jù)施工澆筑過程的特點，對計算區(qū)域進行單元劃分，見圖2。

圖2 計算網(wǎng)格圖

3.計算工況

根據(jù)梅河倒虹吸施工措施方案中的施工分層，本文在對分兩層混凝土施工時的工況進行了詳細的仿真計算，模板均采用定型鋼模。

工況1：夏季澆筑，開始澆筑時刻為6月1日，無任何溫控措施。墩墻、底板2d拆模，頂板10d左右拆模?；炷翝仓戤吅?d之內(nèi)，考慮晝夜溫差10℃。計算時，考慮到在輸送和振搗過程中混凝土的溫度會有所上升，澆筑溫度為環(huán)境溫度的基礎(chǔ)上加5℃。

工況2：兩層的施工間歇面采用兩層農(nóng)用塑料膜包裹上5mm厚工業(yè)毛氈保溫5d后掀除，墩墻表面、頂板的底面及頂板、底板的側(cè)面采用鋼模板外貼1cm厚泡沫板保溫5d后連同模板一起拆除。其它情況同工況1。（以下工況中所采用工業(yè)毛氈保溫時都是指在其上下表面包裹兩層塑料膜，采用泡沫板保溫時是指在鋼模板外表面粘貼一定厚度的泡沫板，不再贅述。）

工況3：底板頂面及底板與墩墻之間的間歇面采用1cm厚工業(yè)毛氈，底板側(cè)面采用1cm厚泡沫板，保溫6d后保溫措施連同模板一起拆除。墩墻表面采用1cm厚泡沫板，墩墻與頂板之間的間歇面采用1cm厚工業(yè)毛氈，保溫5d后保溫措施連同模板一起拆除。頂板頂面采用1.5cm厚工業(yè)毛氈，其側(cè)面及底面采用1cm厚泡沫板，保溫6d后保溫措施連同模板一起拆除。其它情況同工況1。

工況4：每層混凝土澆筑完畢2d后遭遇為期5d、1d內(nèi)降溫15℃，低溫持續(xù)3d，然后在一天內(nèi)恢復正常溫度的“U”型寒潮。寒潮期間晝夜溫差相對較小，不再計入晝夜溫差的影響。表面保溫措施同工況3，但是保溫時間延長，都保溫到每次寒潮結(jié)束的時刻，即底板、墩墻及頂板都保溫7d。其它情況同工況1。

根據(jù)仿真計算結(jié)果，混凝土表面裸露時，其早期表面拉應力超出了混凝土的抗拉強度，容易導致開裂。采用泡沫板保溫7d再拆模可以保證早期不出現(xiàn)裂縫。但為了不影響工期，保證3d拆模的進度，采用模板外側(cè)貼泡沫板3d，倉面覆蓋草袋7d的溫控措施后，使得表面拉應力降至較為安全的范圍之內(nèi)。這說明即使在高溫季節(jié)，環(huán)境溫度相對較高時，只有適當?shù)倪M行表面保溫的力度，才能避免開裂的出現(xiàn)。

4.溫控防裂措施

4.1 配合比優(yōu)化

優(yōu)化混凝土的配合比和摻纖維、外加劑等可有效降低混凝土絕熱溫升、減少自生體積收縮變形量，同時可有效提高混凝土自身溫控防裂能力。建議施工用配合比進一步進行相關(guān)優(yōu)化（可作為科研后續(xù)工作）。

4.2 澆筑溫度

控制澆筑溫度可降低混凝土的溫度峰值，減少結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)溫差。根據(jù)南水北調(diào)相關(guān)規(guī)范要求，高溫季節(jié)混凝土的澆筑溫度不宜超過26℃，低溫季節(jié)澆筑溫度不低于5℃。根據(jù)同類工程經(jīng)驗，入倉溫度直接決定了混凝土的基礎(chǔ)溫差，即規(guī)范允許范圍內(nèi)混凝土的澆筑溫度應盡可能低。

對中小型工程而言，過于嚴格的澆筑溫度控制指標并不經(jīng)濟，建議混凝土澆筑過程中，通過經(jīng)濟可行的措施控制混凝土的澆筑溫度，尤其是高溫季節(jié)，應采用冰水沖洗和冰片拌和等措施，控制混凝土的澆筑溫度。

4.3 內(nèi)外溫差

內(nèi)外溫差是混凝土表面裂縫產(chǎn)生的主要原因。早期，水化放熱導致混凝土內(nèi)部溫度較高，散熱較快的混凝土表面溫度相對較低，混凝土存在內(nèi)外溫差。加之早期混凝土強度較低，較大的內(nèi)外溫差很容易導致表面混凝土拉裂，產(chǎn)生表面裂縫。后期，隨著混凝土內(nèi)部溫度降低，內(nèi)外溫差減小，混凝土表面裂縫產(chǎn)生的可能性較小。但若遭遇寒潮或較大晝夜溫差時表面保溫不嚴，混凝土表面同樣容易被拉裂。

根據(jù)同類工程經(jīng)驗，高溫季節(jié)施工時控制槽身混凝土內(nèi)外溫差在20℃以內(nèi)。根據(jù)同類工程經(jīng)驗，同時為提高混凝土的抗裂安全度，建議施工中對混凝土進行表面保溫覆蓋，即在鋼模板表面覆蓋聚乙烯苯板及其他相應保溫措施，將混凝土的內(nèi)外溫差控制在15℃左右。

5.結(jié)論

可靠的仿真計算結(jié)果是建立在準確的初始條件、邊界條件和施工方法基礎(chǔ)上的，因此溫控防裂方案的制定建立在對具體工程研究分析基礎(chǔ)上。將仿真計算結(jié)果與實際情況進行對比，及時修正模型參數(shù)，更正溫控指南，才能為后續(xù)施工提供更為可靠、合理的指導?；炷翜乜胤懒咽且粋€綜合性的系統(tǒng)工程，除了防止混凝土裂縫外，還要保證不影響施工進度、澆筑計劃，同時也得兼顧經(jīng)濟條件和人員安排等因素。所以，要做好溫控防裂工作，唯有業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、施工以及科研等各方共同努力，及時溝通和交流問題，才能達到最終保證工程不裂或者基本不裂的目的。

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