隧洞混凝土施工期溫度應(yīng)力分析與監(jiān)控研究★

王儉奎 趙新銘 胡少偉 陸 俊

(1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016； 2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210000)

·橋梁·隧道·

隧洞混凝土施工期溫度應(yīng)力分析與監(jiān)控研究★

王儉奎1趙新銘1胡少偉2，3陸 俊2

(1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016； 2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210000)

根據(jù)隧洞混凝土溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的有限元計(jì)算原理，利用ABAQUS對(duì)實(shí)際施工過程進(jìn)行模擬，得到混凝土溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，據(jù)此找出實(shí)際施工過程中的薄弱部位及需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)部位，給出合理的溫度監(jiān)控布置方案。

地鐵隧洞，混凝土，溫度應(yīng)力，溫度監(jiān)控

0 引言

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)大體積混凝土工程施工期溫度應(yīng)力問題進(jìn)行了系統(tǒng)而深入地研究，在理論方面和實(shí)際工程施工技術(shù)等方面，均取得了重大突破和成就[1，8，9]。由于隧洞工程混凝土的厚度較薄，洞內(nèi)溫度變化及環(huán)境變化較小等因素，少有學(xué)者研究隧洞混凝土施工期的溫控問題。而實(shí)際表明，在絕大部分的地下工程中，隧洞工程在施工期都出現(xiàn)了不同程度的裂縫。在施工期對(duì)混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)反饋得到的數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理安排施工方案，保證施工質(zhì)量。隧洞工程混凝土施工期監(jiān)測(cè)及溫控問題，具有重要的理論意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

1 熱傳導(dǎo)理論

在溫度場(chǎng)中，考慮均勻的、各樣同性的固體，將其劃分為多個(gè)六面體單元，取其中一個(gè)微元體dxdydz(見圖1)。在單位時(shí)間內(nèi)，由左側(cè)面流入dydz的熱量為qxdydz，從右界面流出的熱量為qx+dxdydz，根據(jù)熱量平衡原理，在時(shí)間dt內(nèi)，流入微分體的凈熱量為(qx-qx+dx)dydz。

(1)

其中,qx單位為kJ/(h·m2)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃)。

從式中不難看出，qx是T的函數(shù)，將其展開成泰勒級(jí)數(shù)，并只取其前兩項(xiàng)，有:

(2)

由此可以得到在單位時(shí)間內(nèi)，由x方向流入微分體的凈熱量為：

(3)

(4)

其中，θ為絕熱溫升，℃。

其中，c為比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ為密度，kg/m3;τ為時(shí)間，h。

根據(jù)熱量的守恒，溫度升高所吸收的總熱量等于從各方向流入微元體的凈熱量與內(nèi)部水化熱之和，即：

(5)

經(jīng)化簡(jiǎn)可得：

(6)

其中，α為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h，α=λ/cρ。

以上即為不穩(wěn)定溫度場(chǎng)的熱傳導(dǎo)方程。

2 工程概況和計(jì)算參數(shù)

該隧道段斷面采用雙向矩形斷面，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，典型斷面底板厚900 mm，頂板厚700 mm，側(cè)墻厚700 mm，隧洞凈寬6 500 mm，凈高6 850 mm，通倉澆筑，混凝土標(biāo)號(hào)為C40。

2.1 混凝土強(qiáng)度與彈性模量

混凝土的強(qiáng)度和彈性模量根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，其具體數(shù)值見表1。

表1 混凝土強(qiáng)度與彈性模量試驗(yàn)值

不同齡期的混凝土彈性模量可用如下公式來表示：

E(t)=33.462×(1-e-0.09t)

(7)

2.2 其他參數(shù)

混凝土比熱：106 713 J/(kN·℃)；混凝土線膨脹系數(shù)試驗(yàn)值：11.01×10-6℃-1；混凝土導(dǎo)熱系數(shù)：9 627.8 J/(m·hr·℃)；混凝土表面放熱系數(shù)50.2 kJ/(m2·hr·℃)；混凝土泊松比：0.2。

此外，混凝土絕熱溫升的擬合表達(dá)式為：

θ=50.4×(1-e-0.608τ0.967)

(8)

此外，基坑開挖面以下1 m為礫質(zhì)粘性土，其參數(shù)如下：

粘性土比熱：137 800 J/(kN·℃)；粘性土線膨脹系數(shù)試驗(yàn)值：1×10-5℃-1；粘性土導(dǎo)熱系數(shù)：5 400 J/(m·hr·℃)；粘性土變形模量8×106N/m2；粘性土泊松比：0.3。

3 計(jì)算結(jié)果分析

利用有限元軟件ABAQUS對(duì)該隧洞混凝土工程的側(cè)墻與頂板進(jìn)行分析模擬，得到側(cè)墻與頂板的溫度曲線(見圖2，圖4)和溫度應(yīng)力曲線(見圖3，圖5)。

該隧洞混凝土側(cè)墻最大溫度發(fā)生在內(nèi)部中心區(qū)域，在1.72 d后升高到最大值，約為41.04 ℃，最高溫升高為20.04 ℃，此時(shí)里表最大溫差為17.02 ℃，滿足相關(guān)規(guī)范要求。施工縫處最高溫度為30.82 ℃，相應(yīng)齡期為16.67 d(即頂板澆筑后1.67 d)。

側(cè)墻的最大溫度應(yīng)力發(fā)生在側(cè)墻內(nèi)部上端的施工縫附近，開始為壓應(yīng)力，澆筑后迅速增至最大值，此后逐漸回落，4 d后變?yōu)槔瓚?yīng)力，齡期16.13 d(即上層頂板澆筑后1.13 d)時(shí)達(dá)到最大值1.33 MPa，小于相應(yīng)齡期的軸拉強(qiáng)度。

頂板溫度約2 d增至最大值，此后逐漸回落，10 d趨于穩(wěn)定。頂板最高溫度發(fā)生在頂板與側(cè)墻、中墻的連接區(qū)內(nèi)部，其值為44.83 ℃，最高溫升為23.63 ℃，相應(yīng)的齡期為1.67 d，里表溫差最大值為21.17 ℃，相應(yīng)的齡期為1.67 d。

頂板表面的最大主拉應(yīng)力位于頂板兩端的倒角表面，開始為拉應(yīng)力，澆筑后迅速增至最大值，此后逐漸回落，5 d后變?yōu)閴簯?yīng)力，并逐漸趨于穩(wěn)定。最大主拉應(yīng)力為1.77 MPa，相應(yīng)齡期為1.67 d(即頂板內(nèi)部溫度最高、里表溫差最大的時(shí)刻)。

4 溫度監(jiān)測(cè)方案布置

在施工期監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置與埋置時(shí)間、傳感器的種類、質(zhì)量和性能等需要相互協(xié)調(diào)配合，并要注意監(jiān)測(cè)期間監(jiān)測(cè)點(diǎn)的保護(hù)與修復(fù)工作。在實(shí)際的工程測(cè)量中，宜采用溫度光纖法，該方法是一種全自動(dòng)化計(jì)算機(jī)智能測(cè)溫監(jiān)控技術(shù)，與傳統(tǒng)的預(yù)留測(cè)溫孔法(埋置測(cè)溫管)和熱電偶電阻法(如優(yōu)質(zhì)銅—康銅熱電偶等)比較，方便快捷，準(zhǔn)確性高，連續(xù)性強(qiáng)。

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)該隧洞襯砌混凝土的側(cè)墻及頂板進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，本著工程適用性、代表性和經(jīng)濟(jì)性原則，根據(jù)結(jié)構(gòu)很好的對(duì)稱性，只選取其一半進(jìn)行布設(shè)。采用光纖分布式應(yīng)變和溫度傳感器來進(jìn)行溫度監(jiān)控，溫度光纖進(jìn)入襯砌混凝土結(jié)構(gòu)后，根據(jù)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行布設(shè)(見圖6)。

對(duì)側(cè)墻與頂板共選取10個(gè)關(guān)鍵測(cè)位，其中2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)測(cè)位分別位于側(cè)墻高度的四等分點(diǎn)上，1號(hào)，5號(hào)測(cè)位分別位于施工縫上、下方的60 mm處；6號(hào)，10號(hào)測(cè)位分別位于頂板與側(cè)墻、中墻連接處中心位置，7號(hào)，8號(hào)，9號(hào)測(cè)位分別位于頂板的四等分點(diǎn)上。頂板中每個(gè)測(cè)位在上、中、下位置3個(gè)測(cè)點(diǎn)埋置溫度光纖，其中上、下測(cè)點(diǎn)距頂板內(nèi)外表面100 mm，測(cè)量施工期頂板的表面溫度；中間測(cè)點(diǎn)位于頂板的中部，測(cè)量施工期頂板的中心溫度。側(cè)墻中每個(gè)測(cè)位按左、中、右位置各埋置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中左、右測(cè)點(diǎn)距側(cè)墻內(nèi)外表面100 mm，測(cè)量混凝土施工期側(cè)墻的表面溫度；中間測(cè)點(diǎn)位于側(cè)墻的中部，測(cè)量施工過程中側(cè)墻的中心溫度。

此外，根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，混凝土溫度控制指標(biāo)應(yīng)符合以下要求：任一時(shí)間、任一截面處內(nèi)外最大溫差不得高于25 ℃；降溫速度低于3 ℃/d；揭開保溫層時(shí)，內(nèi)外溫差應(yīng)小于15 ℃。

5 結(jié)語

1)受新澆筑混凝土的水化熱溫升的影響，混凝土內(nèi)部的最大主拉應(yīng)力位于側(cè)墻上端施工縫處。雖然該溫度場(chǎng)產(chǎn)生的最大主拉應(yīng)力小于相應(yīng)齡期的軸拉強(qiáng)度，但在實(shí)際施工過程中也要對(duì)施工縫處的溫度和應(yīng)力足夠重視，并宜加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

2)通過分析可知，頂板兩端倒角處、頂板施工縫處容易產(chǎn)生表面裂縫；側(cè)墻的施工縫處、頂板施工縫處易產(chǎn)生內(nèi)部裂縫。

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[9] Hirofumi Takayama,Masaichi Nonomura,Yasuo Masuda.Study on cracks control of tunnel lining concrete at an early age[C].The 4th Dimension of Metropolises，2007.

Research of thermal stress analysis and temperature monitoring project of subway tunnel in construction period★

WANG Jian-kui1ZHAO Xin-ming1HU Shao-wei2，3LU Jun2

(1.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China; 2.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,China； 3.HohaiUniversity,Nanjing210000,China)

On the basis of the finite element calculation laws of the thermal fields and thermal stress fields, the actual construction process was simulated by ABAQUS. The regularities of distribution of the two fields mentioned above were obtained. And then the project of temperature monitoring of subway tunnel concrete during the construction period was provided, which played a certain reference role in the construction of the subway tunnel concrete.

subway tunnel, concrete, thermal stress, temperature monitoring

1009-6825(2014)07-0160-03

2013-12-18★：江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目；水利公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(項(xiàng)目編號(hào)：201201038)

王儉奎(1987- )，男，在讀碩士； 趙新銘(1962- )，男，博士，教授； 胡少偉(1969- )，男，博士后，博士生導(dǎo)師，教授級(jí)高級(jí)工程師； 陸 俊(1981- )，男，博士

U455

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