清水池超長池壁混凝土裂縫寬度受澆筑長度變化規(guī)律研究

秦乙洪,陳佳文，廖一天，李悠然，呂林鵬

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

清水池超長池壁混凝土裂縫寬度受澆筑長度變化規(guī)律研究

秦乙洪,陳佳文，廖一天，李悠然，呂林鵬

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

水池池壁一次性澆筑混凝土方量太大會使水池池壁混凝土開裂程度過大，影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用;一次性澆筑混凝土方量太小會增加施工時間，拖延工期。針對該問題，本文分析了混凝土裂縫的成因，結(jié)合工程實(shí)例選擇三維有限元水池設(shè)計(jì)軟件建立模型，對極端氣候條件下大型水池混凝土一次性澆筑不同混凝土長度所產(chǎn)生的裂縫寬度進(jìn)行計(jì)算和分析，確定了本案例最佳澆筑長度為24.2 m，其計(jì)算方法可供其他大型清水池池壁混凝土澆筑工程參考借鑒。

裂縫成因；裂縫寬度；最佳澆筑長度

矩形水池池壁在混凝土的澆筑過程中會因各種原因產(chǎn)生裂縫，裂縫的出現(xiàn)會破壞水池整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其不能正常使用。針對不同的裂縫成因會有不同的處理措施，張達(dá)石等人研究了設(shè)伸縮縫水池的池壁內(nèi)力計(jì)算方法，提出了采取空間效應(yīng)的計(jì)算模式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算比較合理[1]；王艷舫等人針對大型水池需設(shè)置伸縮縫的現(xiàn)狀，通過水池伸縮縫破壞的實(shí)例，分析了破壞產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的處理措施[2];董富強(qiáng)利用水化動力學(xué)方法和有限元建模分析方法對該類結(jié)構(gòu)混凝土收縮、溫差及早期裂縫形成、發(fā)展機(jī)理進(jìn)行研究，對池壁開裂的可能性進(jìn)行預(yù)先評價[3]；董德勝等人通過對混凝土的溫(濕)度變化產(chǎn)生效應(yīng)的研究，提出施工期、季節(jié)、壁面3個方面的溫(濕)差作用及相應(yīng)的對策[4]。在現(xiàn)有對矩形水池池壁裂縫出現(xiàn)成因的研究中，水池池壁混凝土一次性澆筑方量對池壁裂縫產(chǎn)生的影響規(guī)律很少提及。

本文針對該問題，選擇三維有限元設(shè)計(jì)軟件(涉及軟件版權(quán)問題不方便寫明軟件名稱)根據(jù)工程實(shí)際情況建立相應(yīng)軟件模型，考慮在極端氣候溫差較大的情況下，對水池超長池壁澆筑一定量混凝土?xí)r所產(chǎn)生的裂縫寬度進(jìn)行計(jì)算，并分析出水池超長池壁一次性澆筑不同方量混凝土對水池池壁產(chǎn)生裂縫寬度的影響變化規(guī)律。其計(jì)算分析結(jié)果可供該工程參考，同時也為下一步方案的擬定和實(shí)施提供了科學(xué)依據(jù)。

1 相關(guān)理論

水池池壁混凝土裂縫的產(chǎn)生原因有多種，其中最主要原因是混凝土的收縮變形、溫度變形和約束應(yīng)力等[5-6]?；炷猎诟稍飾l件下會引起體積縮小，在潮濕條件(或在水中)體積會膨脹?；炷潦湛s發(fā)生在混凝土硬化過程中，由于各種原因引起的隨時間變化而發(fā)生的體積縮小，這種情況稱之為混凝土的收縮變形。在施工期間由于水泥水化熱、氣溫變化以及混凝土配合比的不同都會使混凝土發(fā)生溫度變形。溫度作用與結(jié)構(gòu)構(gòu)造的約束條件有關(guān)，即使環(huán)境變化相同，不同的約束也會產(chǎn)生不同變形和應(yīng)力，即溫度作用取決于溫度變化和約束條件[7]。

導(dǎo)致水池池壁混凝土裂縫出現(xiàn)的因素是多方面的，通過討論很難確定哪一個或幾個因素是造成池壁裂縫出現(xiàn)的主導(dǎo)原因。通過改變澆筑池壁混凝土的方量會使池壁結(jié)構(gòu)及其釋放的水化熱發(fā)生變化而影響水池池壁混凝土裂縫寬度的變化。

1.1 裂縫平均寬度計(jì)算公式

裂縫平均寬度計(jì)算公式的基本假設(shè)是構(gòu)件開裂后橫貫截面的裂縫寬度相同，即在鋼筋表面處的裂縫寬度和構(gòu)件表面的裂縫寬度相等[8]。所以，裂縫寬度等于裂縫間距范圍內(nèi)鋼筋和混凝土的變形差，即:

(1)

(2)

(3)

式中：σs為鋼筋在裂縫處的應(yīng)力，Pa；Es為鋼筋彈性模量，Pa；φ為鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；ωm是裂縫平均寬度，m。

1.2 壁面溫差計(jì)算公式

由于溫(濕)差作用對壁板混凝土裂縫寬度的產(chǎn)生有很大影響，且工程采用保溫措施，故應(yīng)對水池池壁壁面溫差進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[9](CECS 138-2002)4.3.5條，壁面溫差計(jì)算公式為：

(4)

式中：Δt為壁板的內(nèi)外側(cè)壁面溫差，℃；h為壁板厚度，m；λc為混凝土壁板導(dǎo)熱系數(shù)，取2.03 W/mk；βc為混凝土壁板與空氣間熱交換系數(shù)，取23.6 W/mk；TN為壁板內(nèi)側(cè)水計(jì)算溫度，按年最低月平均水溫，℃；TA為壁板外側(cè)大氣溫度，按年最低月統(tǒng)計(jì)的平均溫度，℃。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某工程位于亞洲西部波斯灣西北角,屬于熱帶沙漠氣侯，全年晝夜溫差都較大。高溫季節(jié)4月到11月，最高月平均氣溫40.2 ℃；低溫季節(jié)12月至次年3月，氣候溫和、少雨干燥，最低月平均氣溫為21.5 ℃。

本工程為調(diào)節(jié)水廠均勻供水和滿足用戶不均勻用水的調(diào)蓄構(gòu)筑物，屬于大型清水池。該工程建筑物基礎(chǔ)以上為土方開挖和填筑，其土質(zhì)主要由風(fēng)化的石灰?guī)r和泥灰?guī)r構(gòu)成。該水池單池為長方體，水池底板臥地，主體位于地上，有蓋構(gòu)造，在池頂檢修通道入口處設(shè)置小屋，單個水池凈空尺寸長129.6 m，寬76 m，高11.2 m，容積約9萬m3，由于水池池壁結(jié)構(gòu)平面尺寸過大，故將水池池壁定義為超長預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，即超長池壁。

水池內(nèi)部設(shè)有圓柱，起支撐作用，池壁、隔墻及導(dǎo)流墻邊模主要采用組合鋼模板，在施工條件許可的情況下水池池壁單元塊可適量增大，邊長可達(dá)20～25 m。整個墻體分兩次澆筑，澆筑原則為盡量跳倉澆筑，延長相鄰單元塊澆筑的時間間隔，使混凝土有充分的收縮時間，且時間間隔應(yīng)盡量保持一致，使混凝土收縮均勻，以減少因收縮不勻而產(chǎn)生應(yīng)力裂縫。

2.2 模型參數(shù)選取

根據(jù)工程資料，采用三維有限元設(shè)計(jì)軟件建模并計(jì)算在極限溫(濕)差條件下混凝土裂縫的寬度，表1為模型參數(shù)表。其中池壁裂縫寬度值的計(jì)算是模型建立之后軟件根據(jù)裂縫平均寬度計(jì)算公式(3)自動計(jì)算而出，內(nèi)外側(cè)壁面溫差值是根據(jù)公式(4)手動計(jì)算得出。

該水池池壁與底板或其他條形基礎(chǔ)的連接為固定支承，由于水池頂板與池壁頂端設(shè)有抗剪鋼筋連接，故其節(jié)點(diǎn)應(yīng)視為鉸支承。池壁荷載按照工程設(shè)置情況取值，文中因一次性澆筑混凝土的高度和厚度是定量的，故混凝土澆筑的方量可間接用澆筑長度代替。

表1 模型參數(shù)表

其中頂板彎矩為池內(nèi)側(cè)受拉為正，池外側(cè)受拉為負(fù)，底板彎矩與頂板彎矩內(nèi)外兩側(cè)受拉方向相反，壁板彎矩方向?yàn)槌乇谕鈧?cè)受拉為正，池壁內(nèi)側(cè)受拉為負(fù)；軸力受拉為正，受壓為負(fù)；內(nèi)力設(shè)計(jì)值用于計(jì)算地基承載力，標(biāo)準(zhǔn)值用于計(jì)算抗裂度，準(zhǔn)永久值用于計(jì)算裂縫寬度。

2.3 基本假設(shè)的制定

由于導(dǎo)致清水池池壁混凝土裂縫的出現(xiàn)原因是多方面的，在計(jì)算混凝土裂縫寬度時很難考慮到所有的情況，因此需要在盡可能減少誤差的情況下對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理假設(shè)與簡化，該假設(shè)不會影響混凝土裂縫寬度變化規(guī)律。

①假定澆筑水池池壁的混凝土為各向同性的均質(zhì)材料； ②不考慮早期施工等因素對水池池壁的影響； ③由于水池底部澆筑了一定厚度的素混凝土，有效的控制了水池的不均勻沉降，所以不考慮因沉降對裂縫的影響； ④不考慮地震的作用； ⑤不考慮地下水的作用。

2.4 模型的建立

水池模型根據(jù)工程實(shí)測資料建立，其中水池網(wǎng)格劃分尺度為1 m，網(wǎng)格的劃分見圖1。為了便于查看水池內(nèi)部情況，模型的建立已將水池頂板隱藏，對軟件計(jì)算結(jié)果無任何影響。三維有限元模型見圖2，圖中水池內(nèi)部其他板件為隔墻及導(dǎo)流墻。

圖1 網(wǎng)格劃分尺度圖

圖2 三維有限元水池模型圖

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 模型計(jì)算結(jié)果

軟件通過模型參數(shù)的設(shè)定及裂縫平均寬度計(jì)算公式(3)計(jì)算并導(dǎo)出的結(jié)果，基本工況的選取是以初步擬定水池池壁混凝土澆筑長度為20 m的方案為例，其中ABCDEFG斷面為軟件建模后根據(jù)水池池壁混凝土澆筑長度自動劃分的不同斷面。

通過分析可知：在水池池壁一次性澆筑長度為20 m時，池壁產(chǎn)生的裂縫寬度最大值是0.23 mm，最小值是0.06 mm，平均裂縫寬度為0.146 mm，小于規(guī)范《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[9]中所規(guī)定清水池混凝土澆筑裂縫限值0.25 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 池壁混凝土裂縫寬度影響規(guī)律研究

根據(jù)工程資料要求，模型以每增加0.6 m為一個澆筑長度模塊，以平均裂縫寬度為校核指標(biāo)，完成對20～25 m澆筑長度的裂縫寬度的計(jì)算，確定出水池池壁最佳的澆筑長度。軟件通過模型參數(shù)的設(shè)定及裂縫平均寬度計(jì)算公式(3)計(jì)算并導(dǎo)出的結(jié)果，其中ABCDEFG斷面為軟件建模后根據(jù)水池池壁混凝土澆筑長度自動劃分的不同斷面。池壁一次性澆筑不同長度產(chǎn)生裂縫寬度見表2。

表2 裂縫寬度表

從表2中可以看出當(dāng)水池池壁澆筑長度為23.6 m時，壁板沿X軸方向最大裂縫寬度值為0.25 mm，在FG斷面出現(xiàn)；當(dāng)水池池壁澆筑長度為24.2 m時，壁板沿X軸方向最大裂縫寬度值為0.25 mm，在DE斷面出現(xiàn)；當(dāng)水池池壁澆筑長度為24.8 m時，壁板沿X軸方向最大裂縫寬度值為0.27 mm，在DE斷面出現(xiàn)。同時，水池池壁不同斷面出現(xiàn)的裂縫寬度隨著混凝土澆筑長的增加而變大。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

(1)在水池池壁混凝土一次性澆筑長度為20 m時，池壁產(chǎn)生的裂縫寬度最大值是0.23 mm，最小值是0.06 mm，平均裂縫寬度為0.146 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)水池池壁混凝土一次性澆筑長度為24.8 m時，池壁裂縫寬度最大值是0.27 mm，沿DE斷面產(chǎn)生，且平均裂縫寬度為0.252 mm，超出《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中所規(guī)定清水池混凝土澆筑裂縫限值0.25 mm，不滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)當(dāng)水池池壁澆筑長度為23.6 m時，池壁產(chǎn)生的平均裂縫寬度為0.225 mm，壁板沿X軸方向的裂縫寬度都小于0.25 mm，滿足設(shè)計(jì)要求；水池池壁一次性澆筑長度為24.2 m時，池壁產(chǎn)生的平均裂縫寬度為0.237 mm，同時壁板沿X軸方向的裂縫寬度都小于0.25 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。就加快施工進(jìn)度而言，當(dāng)水池池壁一次性澆筑長度為24.2 m時，更有利于工程的建設(shè)。故確定該工程水池池壁混凝土一次性澆筑最佳長度為24.2 m。

4 結(jié) 論

(1)其他大型清水池工程如需對水池池壁混凝土一次性澆筑長度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以上計(jì)算分析過程可供其參考使用。

(2)文章中如果對水池池壁不同澆筑長度不同斷面所產(chǎn)生的最大裂縫寬度值選擇Ansys軟件對其結(jié)構(gòu)內(nèi)力建模并進(jìn)行成因分析，會更顯的有說服力。

(3)如果每增加一個澆筑模塊長度過大，在本文的基礎(chǔ)上還可以用線性插值法對水池池壁混凝土一次性澆筑最佳長度范圍內(nèi)把計(jì)算結(jié)果可以再進(jìn)行細(xì)化分析。

[1] 張達(dá)石.設(shè)伸縮縫圓形水池的池壁內(nèi)力計(jì)算方法[J].中國市政工程，2012(6):58-61.

[2] 王艷舫，王琴，續(xù)青.淺談水池伸縮縫的設(shè)置[J].山西建筑，2008，34(15):120-122.

[3] 董富強(qiáng).預(yù)防水池池壁裂縫施工方法探研[J].低溫建筑技術(shù)，2016(7):155-157.

[4] 董德勝，鄧潤輝.池類結(jié)構(gòu)裂滲和溫(濕)差作用的控制[J].特種結(jié)構(gòu)，2001，18(1):10-13.

[5] 劉豐林.超大型水池施工縫的設(shè)置及施工處理[J].建筑技術(shù)，2007(7):496-498.

[6] 劉曉茹.淺談土建工程中的混凝土施工技術(shù)[J].城市建筑，2013(2):81.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010-2010[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[8] 中華人民共和國建設(shè)部.給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50069-2002[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[9] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程：CECS 138-2002[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

Study on law of clear water pool overlength concrete wall crack width effected by pouring length

QIN Yihong，CHEN Jiawen，LIAO Yitian，LI Youran，LYU Linpeng

(CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，China)

Too much one-time concrete pouring amount of pool wall increases concrete, affects structure safety and normal use, but too little one-time concrete pouring amount increase construction time. Aiming at this issue, causes of concrete cracks is analyzed, calculation and analysis of crack widths caused by different one-time pouring concrete lengths of large-scale pool under extreme weather conditions are carried out by a 3D finite element pool design software according to a project example. The optimal concrete pouring length of this example is 24.2 m, and the calculation method of this project can be used as reference for the concrete pouring of the other large clear water pool.

crack causes; crack width; optial pouring length

期金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51179095)

秦乙洪(1992-)，男，土家族，湖北恩師人，碩士研究生，主要從事水利工程施工與管理方面的研究。E-mail:347955952@qq.com。

TU991.34

A

2096-0506(2017)03-0001-05