矩形渡槽運(yùn)行期人工模擬環(huán)境抗裂性能試驗(yàn)研究

吳 利 華

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司， 江蘇 南京 210022)

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矩形渡槽運(yùn)行期人工模擬環(huán)境抗裂性能試驗(yàn)研究

吳 利 華

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司， 江蘇 南京 210022)

針對(duì)已建渡槽運(yùn)行期普遍出現(xiàn)的間接荷載作用下的裂縫問題，在人工氣候模擬環(huán)境下開展單廂鋼筋混凝土矩形渡槽模型試驗(yàn)研究，通過測(cè)量瞬態(tài)溫度變化時(shí)空槽、通水兩工況下的混凝土溫度、應(yīng)變的變化，分析矩形渡槽模型溫度、應(yīng)變規(guī)律及開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。結(jié)果表明：空槽工況下渡槽的內(nèi)外表面混凝土為開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，通水時(shí)外表面及水位上方的內(nèi)表面混凝土為開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；降溫前裸露部位應(yīng)采取保溫措施。

矩形渡槽；抗裂性能；模型試驗(yàn)；人工模擬環(huán)境；運(yùn)行期

在大體積混凝土工程中，裂縫作為最常見的病害形式普遍存在，且嚴(yán)重危及到結(jié)構(gòu)的正常使用及使用壽命[1]。南水北調(diào)約50座大型渡槽的建設(shè)，使得水工渡槽的抗裂性能研究成為保障引水工程順利運(yùn)行的重要前提。由于我國大型渡槽的設(shè)計(jì)規(guī)范或設(shè)計(jì)指南遲遲沒有面世，大型渡槽工程設(shè)計(jì)只能借鑒其他相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程[2]。工程人員已指出，僅依據(jù)現(xiàn)有的水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，非直接荷載作用這方面考慮不周。因此，有必要對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)間接荷載作用下的抗裂性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。目前國外修建的現(xiàn)代渡槽工程不多，缺乏相關(guān)的渡槽抗裂研究。國內(nèi)學(xué)者所開展的渡槽抗裂性研究大多基于有限元仿真計(jì)算[3-15]。但是由于缺乏相應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)資料，運(yùn)行期仿真計(jì)算很難真實(shí)模擬。鑒于現(xiàn)在研究領(lǐng)域中存在的諸多問題，迫切需要尋找一種新的研究方法來解決渡槽運(yùn)行期的裂縫問題。

針對(duì)渡槽運(yùn)行期的裂縫問題，在人工氣候模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展渡槽模型運(yùn)行期的抗裂性能試驗(yàn)研究，通過分析渡槽混凝土運(yùn)行期的溫度及應(yīng)變變化，從中總結(jié)出渡槽模型存在開裂風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，從而最終達(dá)到有效控制渡槽裂縫的目的。

1　模型試驗(yàn)方法

1.1總體布置

人工氣候模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)室主要由氣候室、機(jī)房和控制室構(gòu)成，含主室體系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、日照系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等。人工氣候模擬環(huán)境試驗(yàn)室的各個(gè)子系統(tǒng)可獨(dú)立運(yùn)行，進(jìn)行某一項(xiàng)因素的環(huán)境模擬，同時(shí)還可調(diào)動(dòng)各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作進(jìn)行多項(xiàng)因素綜合環(huán)境模擬，以實(shí)現(xiàn)綜合環(huán)境下的混凝土環(huán)境模擬試驗(yàn)。

渡槽模型澆筑于室內(nèi)氣候，進(jìn)入運(yùn)行期后，利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工氣候的溫濕度環(huán)境模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同氣候條件下渡槽模型空槽及通水試驗(yàn)研究，同時(shí)對(duì)渡槽模型混凝土的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)。人工氣候模擬環(huán)境下渡槽模型布置見圖1，傳感器經(jīng)各采集設(shè)備通過計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)。

圖1人工氣候模擬環(huán)境下渡槽模型試驗(yàn)平面布置圖

1.2模型設(shè)計(jì)

由于矩形渡槽模型的幾何尺寸變動(dòng)范圍較大，因此設(shè)計(jì)中結(jié)合已建渡槽斷面尺寸的同時(shí)，綜合考慮各種因素，包括渡槽模型成型的可行性、試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度、實(shí)驗(yàn)室人工氣候的場(chǎng)地條件以及設(shè)備能力，從而確定最優(yōu)的幾何尺寸。

矩形單廂鋼筋混凝土渡槽模型長4 m，寬1.8 m，高1.5 m，底板厚150 mm，兩側(cè)墻厚為250 mm。模型橫向兩端不封閉，通過鋼板及橡膠止水裝置以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行期槽內(nèi)通水。

1.3傳感器布置

渡槽模型對(duì)稱選取5個(gè)典型橫斷面，布置248個(gè)數(shù)字溫度傳感器，其中混凝土內(nèi)部溫度傳感器159個(gè)，混凝土表面溫度傳感器89個(gè)，各斷面溫度傳感器布置見圖2～圖3。選取4個(gè)斷面，布置72個(gè)混凝土表面應(yīng)變片，側(cè)墻部位應(yīng)變片豎向布置，底板應(yīng)變片沿模型橫向?qū)挾确较虿贾?。選取渡槽內(nèi)側(cè)端部1.6 m處的斷面布置振弦式應(yīng)變計(jì)，共計(jì)10個(gè)，方向與應(yīng)變片一致，振弦式應(yīng)變計(jì)布置見圖4。

1.4加載工況

渡槽在檢修期為空槽狀態(tài)，在正常使用時(shí)為通水狀態(tài)。為研究渡槽在運(yùn)行后不同階段的抗裂性能，利用人工氣候模擬環(huán)境技術(shù)對(duì)空槽及通水渡槽模型進(jìn)行溫度加載，加載工況見表1。

注：斷面3距模型端部距離2 m

圖2　渡槽模型斷面3預(yù)埋溫度傳感器布置圖

注：斷面1、2、4、5距模型端部距離依次為：0.48 m、1.23 m、2.77 m、3.52 m

圖3　渡槽模型斷面1、2、4、5預(yù)埋溫度傳感器布置圖

圖4　振弦式應(yīng)變計(jì)布置圖

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1空槽狀態(tài)

本工況模擬空槽渡槽夏季高溫輻射后遭遇暴雨降溫這一氣象過程。室內(nèi)初始溫度為15.0℃，前7.5 h經(jīng)太陽輻射作用持續(xù)升溫至40.7℃，至12.0 h暴雨降溫至17.0℃。

2.1.1溫度試驗(yàn)結(jié)果

加載過程中室內(nèi)氣溫及渡槽中間斷面4個(gè)典型測(cè)點(diǎn)(側(cè)墻壁厚125 mm處頂部、中部、底部及底部中部75 mm高度處)混凝土溫度變化情況如圖5所示。

圖5空槽加載后典型部位內(nèi)部混凝土溫度變幅

隨著室溫先升高后降低的過程，渡槽模型各部位溫度均隨之變化：在升溫階段，各測(cè)點(diǎn)均為溫升趨勢(shì)，側(cè)墻頂部溫度上升17.5℃，側(cè)墻中部溫度上升12.1℃、側(cè)墻底部溫度上升10.5℃、底板中部溫度上升9.0℃；但在8.0 h后的降溫階段，各測(cè)點(diǎn)溫度趨勢(shì)有差異，側(cè)墻頂部溫度隨室溫降低而出現(xiàn)降落趨勢(shì)，而其余各部位溫度保持緩慢平穩(wěn)的升溫趨勢(shì)。

為了解空槽渡槽沿壁厚方向的溫度變化情況，選取中間橫截面3側(cè)墻970 mm高度處加載后不同時(shí)刻溫度變幅ΔT進(jìn)行分析，如圖6所示。在溫升階段，表面混凝土溫度始終比內(nèi)部混凝土溫度高。至6.0 h，側(cè)墻厚度35 mm～215 mm處混凝土溫度上升8.5℃～9.5℃，外側(cè)表面溫度上升12.0℃，內(nèi)側(cè)表面溫度上升9.6℃。加載12.0 h后，外側(cè)表面的溫度變幅降至8.8℃，而其余部位溫度變化不大。側(cè)墻內(nèi)外側(cè)溫度梯度較大，而側(cè)墻壁厚35 mm～215 mm處混凝土溫度梯度相對(duì)較小。

圖6空槽加載后斷面3左側(cè)墻970 mm高度處沿壁厚方向溫度變化

由溫度試驗(yàn)結(jié)果可知，在空槽運(yùn)行過程中，隨著環(huán)境溫度的變化，渡槽混凝土溫度變化與其結(jié)構(gòu)部位有較大關(guān)系，熱量自頂部至下部、自外側(cè)向內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸傳遞，內(nèi)部混凝土溫度存在滯后和削弱的效應(yīng)。

2.1.2應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

混凝土內(nèi)部應(yīng)變變化如圖7所示，升溫過程中各部位混凝土內(nèi)部以受壓為主，應(yīng)變持續(xù)增大，7.5 h～8.0 h后由于環(huán)境降溫，各部位應(yīng)變趨勢(shì)有所差異。側(cè)墻外部混凝土在降溫后壓應(yīng)變出現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)，其余部位混凝土壓應(yīng)變?cè)鲩L趨緩?；炷翍?yīng)變發(fā)展規(guī)律與溫度變化規(guī)律基本一致。外側(cè)混凝土應(yīng)變發(fā)展較內(nèi)側(cè)混凝土更顯著，內(nèi)部混凝土應(yīng)變發(fā)展具有一定的滯后性。

2.2通水狀態(tài)

本工況模擬通水矩形渡槽夏季高溫下突降暴雨的瞬態(tài)環(huán)境氣候變化。為研究水位線上下方的混凝土隨環(huán)境溫度的變化情況，設(shè)計(jì)為半槽通水，水位0.80 m高，側(cè)墻上部約0.55 m暴露于空氣中。初始時(shí)刻室內(nèi)氣溫約30.0℃，太陽輻射3.4 h后溫度升高至42.0℃后開始降溫，至8.0 h室溫降至29.6℃，隨后突降暴雨，10.0 h室溫急劇下降至16.5℃。此過程中槽內(nèi)水溫由初始的9.2℃經(jīng)9.0 h緩慢至13.0℃，后期水溫降至12.3℃。加載過程室內(nèi)氣溫、槽內(nèi)水溫變幅如圖8所示。

圖7　空槽加載后側(cè)墻和底板混凝土應(yīng)變時(shí)程變化曲線

圖8瞬態(tài)室內(nèi)溫度變化

2.2.1溫度試驗(yàn)結(jié)果

中間斷面的4個(gè)典型部位的測(cè)點(diǎn)，即側(cè)墻壁厚125 mm處頂部(水面上方)、中部(水面線附近)、底部(水面下方)及底板中部75 mm高度(水面下方)處混凝土溫度變化情況如圖9所示。隨著室溫的不斷變化，各部位溫度變化趨勢(shì)有差異。在升溫過程基本保持上升的趨勢(shì)，至7.7 h側(cè)墻頂部溫度上升15.1℃，側(cè)墻中部溫度上升12.9℃，側(cè)墻底部溫度上升7.4℃，底板中部溫度上升3.1℃。7.5 h暴雨降溫后，側(cè)墻頂部溫度首先開始下降，9.0 h后側(cè)墻中部溫度也開始下降。由于自上而下的傳熱過程較為緩慢，因此側(cè)墻底部及底板中部后期溫度發(fā)展依然緩慢，并未出現(xiàn)下降趨勢(shì)。9.0 h～11.0 h階段，側(cè)墻頂部及中部溫度分別下降5.0℃、3.0℃。

為研究瞬態(tài)氣候環(huán)境下矩形渡槽側(cè)墻壁厚方向的溫度變化情況，分別繪制高度為720 mm(水面下方)、1470 mm(水面上方)處的右側(cè)墻壁厚方向混凝土不同時(shí)刻溫度變幅ΔT的分布曲線，如圖10、圖11所示。水位線上、下方側(cè)墻截面溫度變化相差很大。水位線下方的側(cè)墻，外側(cè)與空氣接觸，內(nèi)側(cè)與水接觸，隨著室溫的不斷變化，側(cè)墻截面沿壁厚方向溫度分布不對(duì)稱，大體呈拋物線形式，并且在內(nèi)側(cè)表面溫度梯度小，外側(cè)表面溫度梯度大。而水位線上方的側(cè)墻頂部混凝土，內(nèi)外側(cè)均與空氣接觸，加載過程中沿著壁厚方向溫度分布較為對(duì)稱，且內(nèi)外側(cè)表面的溫度梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)部混凝土的溫度梯度。

由此可知，通水渡槽在運(yùn)行中，渡槽混凝土溫度變化不僅與其結(jié)構(gòu)部位有較大關(guān)系，還與水溫有關(guān)系。隨著環(huán)境溫度的變化，渡槽側(cè)墻無水部位混凝土溫度變化快，變幅大；而與水體接觸的渡槽下部結(jié)構(gòu)，尤其是底板混凝土溫度變化極為緩慢，變幅也較小。沿著壁厚方向，水溫對(duì)混凝土溫度的影響更加顯著。

圖9　通水加載后典型部位內(nèi)部混凝土溫度變幅

圖10右側(cè)墻中部720 mm高度處(水下)沿壁厚方向的溫度變化

2.2.2應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

通水工況中應(yīng)變計(jì)均位于水面下方。根據(jù)圖12混凝土內(nèi)部應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果可知，通水渡槽運(yùn)行中，隨著環(huán)境溫度的變化，與水接觸的一側(cè)混凝土的變形發(fā)展相對(duì)較緩，而暴露在空氣中的外側(cè)混凝土隨環(huán)境變化變形相對(duì)明顯，尤其是急劇暴雨后應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)突變。應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律與溫度變化規(guī)律基本一致。

圖11　右側(cè)墻頂部1470 mm高度處(水上)沿壁厚方向的溫度變化

圖12通水加載后側(cè)墻和底板混凝土應(yīng)變時(shí)程變化曲線

3　結(jié)　論

根據(jù)空槽及通水工況下矩形渡槽模型的溫度及應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果，得到下列結(jié)論：

(1) 渡槽模型空槽時(shí)，隨著環(huán)境溫度的變化，內(nèi)外表面溫度、應(yīng)變發(fā)展相對(duì)于內(nèi)部混凝土較快，內(nèi)外表面的溫度梯度較大。當(dāng)周圍環(huán)境急劇降溫時(shí)，內(nèi)外表面混凝土均為開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

(2) 渡槽模型通水時(shí)，隨著環(huán)境溫度的變化，水位線上方的混凝土內(nèi)外表面溫度梯度最大，水位線下方外表面混凝土溫度梯度較大，內(nèi)表面混凝土溫度梯度較小。當(dāng)周圍環(huán)境急劇降溫時(shí)，暴露在空氣中的內(nèi)外表面混凝土均為開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，且水位上方內(nèi)外表面混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)最高。

(3) 大中型渡槽無論處于空槽檢修期還是通水運(yùn)行期，都應(yīng)及時(shí)關(guān)注氣象變化，加強(qiáng)抗裂防護(hù)。檢修期遭遇降溫前，應(yīng)對(duì)內(nèi)外表面混凝土采取保溫措施，運(yùn)行期遭遇降溫時(shí)，水位上方裸露部位及外表面裸露部位應(yīng)采取保溫措施。必要時(shí)在頂部加蓋封閉，以確保渡槽的正常運(yùn)行及使用壽命。

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Experimental Study of Anti-cracking Performance of Rectangular Aqueduct Under Artificial Simulation Environment

WU Lihua

(NanjingWaterPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd.，Nanjing,Jiangsu210022，China)

In order to solve the crack problem of existing aqueducts because of indirect load during operation period, the anti-cracking experiment in an artificial climate laboratory was carried out. The model is single-box reinforced concrete rectangular aqueduct. Variation of temperature and strain of rectangular aqueduct model was measured during the operation period of empty and holding water. Regularity of temperature, strain and crack risk areas of rectangular aqueduct was also analyzed. The results show that internal and external surfaces of the aqueduct have high cracking risk when it is empty, and external surfaces and inner surfaces above water level have high cracking risk under the condition of holding water. Heat preservation measures of the areas contact with air should be taken before temperature drop.

rectangular aqueduct; anti-cracking performance; model experiment; artificial simulation environment; operation period

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.030

2016-03-01

2016-03-28

吳利華(1984—)，女，安徽肥東人，碩士，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)與管理工作。E-mail：wulihua0830@sina.com

TU528.01

A

1672—1144(2016)04—0152—05