溫度應(yīng)力釋放技術(shù)在三汊灣閘底板澆筑中的應(yīng)用

周春建 張義軍 曹學(xué)仁

（1.南京市水利建筑工程有限公司，江蘇 南京 210000；2.江蘇省水利廳，江蘇 南京 210029）

三汊灣節(jié)制閘位于南京市六合區(qū)滁河主河道上，設(shè)計(jì)流量400 m3/s，共3 孔，每孔凈寬12 m，設(shè)置3 扇直升平面鋼閘門。閘身底板厚1.8 m，局部設(shè)置齒坎處厚2.4 m，持力層在▽0.2 m。施工期正值冬季，氣溫在－5℃～5℃。據(jù)規(guī)范規(guī)定，三汊灣閘基礎(chǔ)底板澆筑時(shí)必須考慮溫度應(yīng)力影響，采取混凝土抗裂施工措施。傳統(tǒng)的治理混凝土溫度裂縫的思路是“抗”（“抗”不住再“修補(bǔ)”）：采用內(nèi)部降溫、外部保暖；加密鋼筋、增設(shè)暗梁；摻入粉煤灰、減少水泥用量；摻入抗裂劑等措施，企盼將表層拉應(yīng)力控制在極限應(yīng)力之內(nèi)。許多工程案例都證明用傳統(tǒng)方法抗裂收效小，并不能從根本上解決問題，還得應(yīng)對(duì)可能產(chǎn)生的自然溫度裂縫而進(jìn)行修補(bǔ)。溫度應(yīng)力不但與水泥品種、水灰比、混凝土標(biāo)號(hào)有關(guān)，主要受內(nèi)外溫差影響，還與模板材質(zhì)以及模板架構(gòu)對(duì)混凝土的約束有關(guān)，因而溫度應(yīng)力一直是一個(gè)變數(shù)，使得溫度裂縫防不勝防。從力學(xué)理論分析，溫度裂縫的產(chǎn)生是一個(gè)力學(xué)現(xiàn)象，本質(zhì)上是材料受超極限力作用而產(chǎn)生的一種破壞。純質(zhì)材料試件拉伸破壞后將一分為二，失去整體性。盡管混凝土構(gòu)筑物局部產(chǎn)生溫度裂縫后還有鋼筋牽連著，沒有完全失去整體性，修補(bǔ)后也不至于影響使用，但裂縫對(duì)構(gòu)筑物傷害是毋庸置疑的，特別是貫穿裂縫。溫度裂縫產(chǎn)生必須滿足一定的力學(xué)條件，故從破壞產(chǎn)生溫度裂縫的力學(xué)條件入手治理裂縫可從根本上杜絕產(chǎn)生溫度裂縫。筆者結(jié)合三岔灣閘底板澆筑工程實(shí)例，介紹應(yīng)力釋放裝置（以下亦稱裝置）在防治混凝土溫度裂縫中的應(yīng)用。

1 應(yīng)力釋放裝置

隨著混凝土齡期增長(zhǎng)，彈性模量急劇增大（3 d 達(dá)到28 d 彈性模量的70%）。模板拆除后的3～5 d 內(nèi)，表層收縮變形受到內(nèi)部收縮變形不同步的約束愈來愈強(qiáng)，便產(chǎn)生了拉應(yīng)變（ε）。當(dāng)表層拉應(yīng)變?chǔ)舏≥ε極時(shí)，便產(chǎn)生裂縫，這是混凝土溫度裂縫形成的機(jī)理。從力學(xué)理論可知，裂縫產(chǎn)生的力學(xué)條件是εi≥ε極，而應(yīng)力釋放裝置具有破壞εi≥ε極的功能。

1.1 裝置構(gòu)造

應(yīng)力釋放裝置由應(yīng)力集中楔和應(yīng)力擴(kuò)散環(huán)兩部分組成，如圖1。應(yīng)力擴(kuò)散環(huán)由白鐵皮彎曲成Ω 形制作而成，圓環(huán)直徑為Φ70，其雙層疊合部位用建筑膠水泥漿封口，以防水泥漿浸入，但不影響自由分開。于開口部位間隔一定距離鉆孔，以便用鐵絲將其牢固綁扎在鋼筋內(nèi)側(cè)。應(yīng)力集中楔由木條刨制而成，安裝時(shí)用鐵絲將其綁扎在模板內(nèi)側(cè)與鋼筋之間，其中心線與應(yīng)力擴(kuò)散環(huán)中心重合，以保證模板拆除后混凝土尖角處因應(yīng)力集中產(chǎn)生的導(dǎo)控縫準(zhǔn)確進(jìn)入環(huán)內(nèi)。

將垂直綁扎在鋼筋上的應(yīng)力擴(kuò)散環(huán)下部置于混凝土墊層上，周邊用水泥封固，以起到防水作用。本裝置特點(diǎn)是制作簡(jiǎn)單、安裝方便。混凝土表面凹槽修補(bǔ)和應(yīng)力擴(kuò)散環(huán)圓孔填實(shí)較為容易。

1.2 工作原理

混凝土表層埋設(shè)應(yīng)力釋放裝置能生成淺層、規(guī)則的導(dǎo)控縫，釋放表層拉應(yīng)變能量，防止表層產(chǎn)生無序溫度裂縫或貫穿縫。其原理大致分導(dǎo)控縫“生成、展開、終止”三個(gè)階段：

1.2.1 導(dǎo)控縫生成

圖1 應(yīng)力釋放裝置

混凝土模板拆除后，由于氣溫變化使表層混凝土溫度降低，又因風(fēng)冷使表層失去水分而收縮，在其雙重作用下，混凝土表層產(chǎn)生拉應(yīng)變。因?yàn)榘疾奂饨翘帒?yīng)力集中，便首先在凹槽28°尖角處撕開，向內(nèi)產(chǎn)生與裝置中心線相吻合的導(dǎo)控裂縫。

1.2.2 導(dǎo)控縫展開

導(dǎo)控縫形成后表層拉應(yīng)變能量得到釋放，但導(dǎo)控縫裂隙處應(yīng)力集中沒有被解除。在應(yīng)力集中作用下，導(dǎo)控縫向內(nèi)透過鋼筋繼續(xù)展開，并使裝置雙層疊合部位分開，導(dǎo)控縫形成。

1.2.3 導(dǎo)控縫終止

經(jīng)過階段2，應(yīng)力擴(kuò)散環(huán)也隨之張開。導(dǎo)控縫進(jìn)入擴(kuò)散環(huán)內(nèi)，表層溫度應(yīng)力也得到了進(jìn)一步緩解。因白鐵皮圓孔孔壁具有彈性，局部集中應(yīng)力得到擴(kuò)散，溫度導(dǎo)控縫隨之終止。

2 三汊灣閘底板導(dǎo)控縫的設(shè)置

三汊灣閘底板長(zhǎng)16 m，寬41.4 m，厚1.8 m，齒坎處局部厚2.4 m。底板平面2 個(gè)中墩和2 個(gè)邊墩處平面和側(cè)面插筋較密，間隙過小，不具備安裝本裝置條件，未加考慮。若把應(yīng)用力學(xué)原理釋放拉應(yīng)變能量治理混凝土溫度裂縫的技術(shù)定義為“應(yīng)力釋放”，則三汊灣閘底板的應(yīng)力釋放主要在平面和迎、背水立面兩部分。因?yàn)榛诪槌休d力較高的粘土層，未做任何基礎(chǔ)處理，厚1.8 m 的底板剛度極大，10 cm 混凝土墊層對(duì)底板約束作用忽略不計(jì)，因而可假定底板在溫度應(yīng)力生成和消失過程中存在較高的自由度。應(yīng)力釋放設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮內(nèi)外溫差和模板外部約束作用。

2.1 應(yīng)力釋放設(shè)計(jì)

在平面上埋設(shè)東西向（順?biāo)? 道（每孔2 道，計(jì)3 個(gè)閘孔）、間距為3.6 m 的水平裝置和南北向27 道、間距為4.0 m 的水平裝置。在南北向迎、背水立面埋設(shè)縱向12 道、間距為6.9 m 的豎向裝置。通過在立面和平面上做全方位應(yīng)力釋放，實(shí)現(xiàn)底板應(yīng)力“松綁”，以杜絕發(fā)生無序自然溫度裂縫。總體布置如圖2。

2.1.1 平面布置和安裝

將東西向埋設(shè)的水平裝置綁扎在主受力鋼筋（Φ25@100）的下側(cè)，待混凝土澆筑完成后，再把應(yīng)力集中楔對(duì)準(zhǔn)軸線埋設(shè)到位。要求通長(zhǎng)布置，管口外露，便于后期用細(xì)石混凝土從管口向內(nèi)灌實(shí)（圖3）。南北向27 道水平裝置應(yīng)綁扎在底板分布鋼筋（Φ20@150）的下側(cè)（詳見圖4），由于東西向通長(zhǎng)設(shè)置，故南北向必須斷開分段布設(shè)。為保證后期用混凝土填實(shí)，每節(jié)管口處都安裝了方向朝上的45°白鐵彎頭。裝置安裝完成后，所有管口都用廢紙卷堵口，以防澆筑時(shí)混凝土侵入堵塞。

2.1.2 迎、背水立面布置和安裝

迎、背水立面均設(shè)置了水平止水，考慮到裝置與止水銅片交叉，故將裝置豎直布置在止水銅片以下，并接上45°白鐵彎頭，用廢紙卷堵口，管口外伸緊貼模板，如圖5。

2.1.3 導(dǎo)控縫間距L 選擇

據(jù)導(dǎo)控縫間距公式：

式中：

d—導(dǎo)控縫寬度，取0.15。

k—能量分配系數(shù)，取0.05～0.15。

Δt—內(nèi)外溫差，取40。

α—混凝土溫度變形系數(shù)，取值為1.0×10-5。

如：水平導(dǎo)控縫間距L=d÷（kαΔt）=0.15÷（0.1×10-5×40）=3750 mm，實(shí)取3600 mm 和4000 mm。

圖2 底板裝置布置圖 單位：cm

圖3 B-B 順?biāo)飨蛩窖b置安裝圖

圖4 C-C 垂直水流向水平裝置安裝圖

圖5 A-A 豎向裝置安裝圖

豎直導(dǎo)控縫間距L=d÷（kαΔt）=0.15÷（0.06×10-5×40）=6250 mm，實(shí)取6900 mm。

2.2 溫升過程

混凝土澆筑前在底板縱橫中心點(diǎn)分上、中、下和模板內(nèi)、外側(cè)共埋設(shè)了5 組溫度傳感器，以測(cè)定混凝土內(nèi)部溫度和大氣溫度。據(jù)實(shí)測(cè)記錄，底板中心層第37 h 溫度最高達(dá)37℃、氣溫-0.4℃，溫升達(dá)37.4℃。模板內(nèi)側(cè)溫度13℃，混凝土內(nèi)外溫差為24.0℃。5 d 拆除模板后混凝土內(nèi)外溫差也降至14.0℃。齡期到20 d 左右，底板中心層溫差基本與氣溫持平。這個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與兩次試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)大致相同，反映了混凝土澆筑時(shí)的一般溫升規(guī)律?；炷翝仓厣?guī)律與在表層是否埋設(shè)裝置無關(guān)。

2.3 應(yīng)力變化分析

本次是裝置的實(shí)際應(yīng)用，并沒有埋設(shè)應(yīng)變傳感器進(jìn)行應(yīng)力變化跟蹤檢測(cè)，不妨借助兩次試驗(yàn)結(jié)果說明裝置具備釋放混凝土表層拉應(yīng)變能量的功能。應(yīng)力變化大致分三個(gè)階段。

第一階段：混凝土已澆筑，模板拆除前。當(dāng)混凝土初凝后，除了受體內(nèi)不同等溫層約束、底板約束外，還有混凝土升溫膨脹受到模板構(gòu)架橫向約束，這個(gè)約束限制了混凝土橫向膨脹（當(dāng)然不是絕對(duì)剛性）。此階段的力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖6。如采用竹膠模板，因保溫性能好，表層溫升快，第1 h表層就產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變?yōu)?12.36×10-6，且會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。實(shí)測(cè)應(yīng)變表層為-60×10-6、中心層為-93×10-6。第一階段特點(diǎn)是：由于受模板和模板架構(gòu)緊固和混凝土溫升、熱脹雙重作用，混凝土中心層、表層普遍受壓，其值大小與氣溫、模板保溫性能、模板架構(gòu)剛度有關(guān)。

第二階段：模板拆除，導(dǎo)控縫形成前?；炷翗?gòu)筑物受橫向模板架構(gòu)約束解除后，只受到體內(nèi)不同等溫層的相互約束和底板固支約束。此時(shí)混凝土內(nèi)部應(yīng)力、變形急速調(diào)整，中心層和表層因約束解除趨于伸長(zhǎng)。由于內(nèi)外溫差加大，表層和中心層壓應(yīng)力變小，表層壓應(yīng)力首先趨于零，繼而產(chǎn)生拉應(yīng)變，而中心層處于受壓狀態(tài)，以維持內(nèi)力的平衡。實(shí)測(cè)應(yīng)變表層為-41×10-6、中心層為-52×10-6。第二階段特點(diǎn)是：約束解除，橫向伸長(zhǎng)，中心層和表層負(fù)應(yīng)變絕對(duì)值變小。如圖7。

圖6

第三階段：模板拆除，導(dǎo)控縫形成后。這一階段的特點(diǎn)是表層產(chǎn)生拉力使凹槽尖角處應(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫，形成了導(dǎo)控縫。在導(dǎo)控縫形成后，表層按一定間距人為分成伸縮相對(duì)自如的自由段，使中心層與表層約束減弱。導(dǎo)控縫形成后，表層自由、拉應(yīng)力消失，表層產(chǎn)生自然裂縫的應(yīng)力條件遭到破壞，裝置發(fā)揮了力學(xué)作用。實(shí)測(cè)應(yīng)變表層為-70×10-6、中心層為-20×10-6。這一階段特點(diǎn)是：裝置起作用，導(dǎo)控縫形成；表層自然收縮，相比第二階段中心層伸長(zhǎng)，并隨溫差消失趨于自然狀態(tài)。

顯然，沒有安裝裝置的混凝土構(gòu)筑物內(nèi)部應(yīng)力變化不存在人為設(shè)置的第三階段。因?yàn)槟０宀鸪笫冀K處于第二階段，混凝土內(nèi)部不同等溫層之間約束狀態(tài)不斷加強(qiáng)，表層的拉應(yīng)變能量無法釋放。當(dāng)表層能量積蓄到極限時(shí)，便產(chǎn)生了無規(guī)則的自然裂縫。

2.4 應(yīng)力釋放效果

在混凝土澆筑后48 h，底板水平面上出現(xiàn)了縱向水平導(dǎo)控縫；迎、背水面垂直向?qū)Э乜p在拆模后24 h 內(nèi)形成。因埋設(shè)裝置留有的楔形缺口和圓形孔道，可在混凝土內(nèi)外溫差基本持平后全部填平抹光和灌實(shí)。由于閘底板在全方位應(yīng)力釋放條件下完成了水泥水化反應(yīng)和向外散熱的全部過程，而這個(gè)過程表層基本處于松馳狀態(tài)，所以，底板自始至終沒有出現(xiàn)自然溫度裂縫。

3 安裝過程的注意事項(xiàng)

裝置的安裝過程較為順利，達(dá)到了應(yīng)力釋放的預(yù)期目的。但也有經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)值得記取。

（1）因?yàn)榛炷羶?nèi)不僅僅是圖紙所畫的幾條受力和分布鋼筋，在澆筑過程中還有大量的插筋和鋼筋架，特別是鋼筋架對(duì)水平裝置安裝影響較大，因此，必須事先弄清裝置與鋼筋、鋼筋架之間的關(guān)系，再進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格按圖施工。

圖7

（2）無論是水平或豎直裝置都必須牢固地綁扎在鋼筋上，方能經(jīng)受住混凝土澆筑時(shí)的振動(dòng)和沖擊。對(duì)裝置應(yīng)進(jìn)行封閉處理，防止水泥砂漿侵入。將應(yīng)力集中楔用鐵絲固定在模板上時(shí)要考慮方便模板先行拆除，模板拆除后2 d 內(nèi)應(yīng)拆除應(yīng)力集中楔，以保證裝置處于正常工作狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

用應(yīng)力釋放裝置對(duì)現(xiàn)澆混凝土進(jìn)行溫度應(yīng)力釋放是一種新的技術(shù)。從理論上講，本裝置僅釋放拉應(yīng)變能量，與用何種水泥，多大水灰比，混凝土入倉(cāng)溫度等因素并無直接關(guān)系。因?yàn)閼?yīng)力釋放本質(zhì)是破壞產(chǎn)生裂縫的力學(xué)條件，抓住了問題的本質(zhì)，而其它因素都處于服從地位。應(yīng)力釋放技術(shù)正處在起步階段，還沒有被更多的人認(rèn)識(shí)和認(rèn)同。相信這門技術(shù)不會(huì)只局限在現(xiàn)階段所選擇的對(duì)象上使用，經(jīng)進(jìn)一步研究，在解決有關(guān)技術(shù)問題后，若用在混凝土大壩面層，對(duì)解決大壩溫度裂縫難題將有著廣闊的技術(shù)前景。