超長混凝土結(jié)構(gòu)在船塢工程中的應(yīng)用

周 科， 何 源， 馬永平， 黃海云， 李 坤

(1.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司， 上海 200063； 2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心， 上海 200063)

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超長混凝土結(jié)構(gòu)在船塢工程中的應(yīng)用

周 科1,2， 何 源1,2， 馬永平1,2， 黃海云1,2， 李 坤1,2

(1.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司， 上海 200063； 2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心， 上海 200063)

結(jié)合東南亞某大型船塢工程，針對兩塢并排建設(shè)的工程條件，運(yùn)用ANSYS有限元軟件分析超長混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，通過加配溫度應(yīng)力鋼筋和設(shè)置后澆帶等合理方式應(yīng)對溫度應(yīng)力問題，最終于該船塢塢口建設(shè)中成功運(yùn)用205 m長的超長混凝土結(jié)構(gòu)。研究結(jié)論可作為今后類似大型船塢工程參考。

大型船塢；塢口；超長混凝土結(jié)構(gòu)；溫度應(yīng)力；ANSYS

0 前言

隨著海洋運(yùn)輸與海洋油氣開發(fā)需求的劇增，現(xiàn)代船舶及海工裝備日趨大型化，修造船塢的三維尺度也日趨增長。大型船塢工程中，塢口一般包括了塢口底板、塢墩及水泵房等結(jié)構(gòu)。由于塢口結(jié)構(gòu)需要保證自身具有整體抗浮穩(wěn)定性，同時(shí)考慮其水密性以及結(jié)構(gòu)的耐久性要求，通常把這幾個(gè)部分連接在一起，形成船塢塢口結(jié)構(gòu)中常見的“U”形不設(shè)縫現(xiàn)澆整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。中船九院設(shè)計(jì)研究院工程有限公司設(shè)計(jì)的上海長興造船基地[1]、廣州龍穴造船基地與天津臨港造修船基地，其單塢寬度都已超過100 m，其塢口整體無縫結(jié)構(gòu)長度達(dá)130 m左右。

對于兩塢并排建造的情況，國內(nèi)以往相似工程多采取各塢口單獨(dú)形成“U”形結(jié)構(gòu)，而不是將兩塢的塢口連成一字形整體。這樣做的目的是避免出現(xiàn)超200 m長的超長結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致混凝土開裂、脫落等問題。但是，兩塢分開建設(shè)后，為減小兩塢中間塢墻的間距，泵房位置必須從塢口前沿線后移，易造成工程造價(jià)高、工期長以及船塢廊道范圍縮短等諸多弊端。

本文主要介紹在東南亞某國的船塢工程建設(shè)中，針對當(dāng)?shù)氐靥師釒А⑺募緶夭钚〉奶攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)創(chuàng)新性地將兩塢塢口、泵房結(jié)構(gòu)無縫連接成總長為205 m的整體超長結(jié)構(gòu)，并成功地解決了超長混凝土結(jié)構(gòu)抗裂問題。僅此一項(xiàng)就節(jié)省船塢工程投資1 000萬元以上人民幣。

1 工程概況

本工程總計(jì)建設(shè)4座大型船塢供30×104t大型船舶及海工產(chǎn)品修理時(shí)使用。其中3#、4#塢并排建設(shè)，兩塢尺度分別為350 m×66 m×13.5 m，360 m×89 m×13.5 m。兩塢塢室寬分別為89 m和66 m，兩座獨(dú)立塢墩寬各為12.5 m，中間共用水泵房寬度為25 m，塢口結(jié)構(gòu)總長度達(dá)到205 m，各單體均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 塢口平面布置圖

2 研究要點(diǎn)

在一般的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中，為抵抗不均勻的沉降及伸縮變形，均采取間隔一定結(jié)構(gòu)長度設(shè)置伸縮縫的方法?！陡纱瑝]設(shè)計(jì)規(guī)范》CB/T 8524-2011規(guī)定，干船塢結(jié)構(gòu)的分縫宜為15～40 m。超過規(guī)范限制的結(jié)構(gòu)均為超長結(jié)構(gòu)。205 m的塢口結(jié)構(gòu)若采用無縫澆筑顯然遠(yuǎn)超規(guī)范要求，而制約超長結(jié)構(gòu)運(yùn)用的主要因素則是溫差引起的混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂。

本工程各表面均處于近似的外界環(huán)境中，各表面無較大溫差；結(jié)構(gòu)超長部分主要為塢口底板，屬于薄壁結(jié)構(gòu)，后期亦不存在較大的內(nèi)外溫差；結(jié)構(gòu)主要承受溫度效應(yīng)為季節(jié)變化引起的均勻溫差和均勻收縮。從控制裂縫的角度，一些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生表面裂縫，危害性較小，主要是防止貫穿裂縫，須將研究重點(diǎn)放在外約束上。因此，初步確定控制裂縫的兩個(gè)主要方法：首先，增加配筋以抵抗降溫產(chǎn)生的收縮應(yīng)力；其次，布設(shè)后澆帶[2]以釋放初期溫度應(yīng)力。

3 抗溫度裂縫配筋研究

我國水運(yùn)工程規(guī)范中缺少對抗溫度裂縫配筋的規(guī)定?？蓞⒖加鴵跛炷两Y(jié)構(gòu)規(guī)范(BS 8007)中的方法計(jì)算溫度裂縫配筋。BS 8007中考慮極限平衡，其主要思想是：通過控制表層鋼筋面積，保證在最大溫差時(shí)，出現(xiàn)最大裂縫仍然能夠滿足規(guī)范要求。

混凝土最大溫度裂縫可表示為

溫度裂縫配筋間距可表示為

式中：φ為鋼筋直徑，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力分析的結(jié)果，使用φ=25mm鋼筋；h1為上下表面都配筋取構(gòu)件高度的一半，構(gòu)件高度超過500mm，取500mm(h1=250mm)；fct/fb為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與鋼筋和混凝接觸強(qiáng)度之比，取0.5；α為混凝土線膨脹系數(shù)，1.0×10-5；T1為施工期內(nèi)部水合熱與外界環(huán)境之間的溫差，取20℃；T2為季節(jié)溫差，取8℃；Wmax為結(jié)構(gòu)裂縫控制寬度，根據(jù)英標(biāo)取0.1mm；T1，T2均根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范的建議取值。

Spacing=220mm

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本工程中塢口所有結(jié)構(gòu)，增加配筋φ25@200。

4 設(shè)置后澆帶

4.1 計(jì)算模型

采用配筋以對抗混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力，可以簡單理解為對溫度應(yīng)力采取“堵”的方式。而所謂“疏堵結(jié)合”，也可以對其采用“疏”的方式，對早期由于水合熱導(dǎo)致的溫度應(yīng)力進(jìn)行疏導(dǎo)，以期使其產(chǎn)生的溫度應(yīng)力在使用期不再殘留于結(jié)構(gòu)內(nèi)部。這種方式的主要實(shí)施方式是布設(shè)一定數(shù)量的后澆帶。本文通過采用通用結(jié)構(gòu)軟件ANSYS14.0進(jìn)行溫度應(yīng)力的有限元分析，確定后澆帶的設(shè)置位置和閉合時(shí)間，以達(dá)到對結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力狀態(tài)的較好改善。圖2為計(jì)算模型示意圖。

圖2 計(jì)算模型圖

計(jì)算模型中，塢墩、塢口底板和泵房均采用實(shí)體建模，計(jì)算單元采用Solid95，樁基簡化為底板上的約束點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)所采用混凝土均為C40標(biāo)號，考慮配筋率的影響其彈性模量設(shè)定為3.35×104MPa，泊松比取0.2，混凝土線膨脹系數(shù)為1.0×10-5。

4.2 計(jì)算溫差

引起溫度應(yīng)力的溫差主要是季節(jié)溫差、驟然溫差、日照溫差等，塢口結(jié)構(gòu)由于長期處于海水環(huán)境中，對其影響最大的主要是季節(jié)溫差。另外，在運(yùn)用有限元模型計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，混凝土自身收縮及徐變等特性對應(yīng)力的影響也等效為一定的溫差，稱之為當(dāng)量溫差。綜上所述，計(jì)算中的溫差值包括了季節(jié)溫差、收縮當(dāng)量溫差以及徐變效應(yīng)的影響。

(1) 季節(jié)溫差。季節(jié)溫差是混凝土結(jié)構(gòu)物由于年溫差變化所引起的結(jié)構(gòu)物溫度變化。因其是長期的緩慢作用，會(huì)使得結(jié)構(gòu)物整體發(fā)生均勻的溫度變化。根據(jù)項(xiàng)目所在地全年的氣溫統(tǒng)計(jì)取ΔTc=Tmin-Tmax= -8 ℃。

(2) 收縮當(dāng)量溫差。混凝土澆注初期飽含水分，之后在空氣中逐漸硬化，水分散發(fā)，體積發(fā)生收縮。收縮是混凝土材料的固有特性，也是引起其開裂的主要原因之一，在分析結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力時(shí)必須加以考慮，由于直接量化分析混凝土收縮引起的效應(yīng)并不容易，因此，通常將其等效為降溫溫差ΔTs，即收縮當(dāng)量溫差。

式中：εy(∞)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)混凝土的最終收縮應(yīng)變，取3.24×10-4；εy(t)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)混凝土齡期為t時(shí)，混凝土的收縮應(yīng)變；α為混凝土線膨脹系數(shù)。

根據(jù)王鐵夢所著《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》[3]一書，推薦εy(t)的計(jì)算方法為

式中：b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.01；M1～Mn為具體工程中混凝土材料組成、環(huán)境濕度、養(yǎng)護(hù)條件、配筋率等在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的修正系數(shù)，均按一般的情況取值M1M2…Mn≈1。

顯然，在本工程中如果不設(shè)置后澆帶，混凝土從澆筑后開始收縮，僅按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)考慮，ΔTs=-32.4 ℃，該溫差遠(yuǎn)大于季節(jié)變化的溫差效應(yīng)，對于混凝土裂縫的影響較大，必須采取相應(yīng)措施以減小該溫差值。

塢口施工時(shí)，對塢口底板由表及里均勻選取了10個(gè)測量點(diǎn)，對其在澆筑過程中的溫度作實(shí)時(shí)監(jiān)控。最終測量結(jié)果為：混凝土初始最高平均溫度為60 ℃左右。該溫度與常溫的溫差約為30 ℃。測量結(jié)果表明，設(shè)計(jì)中所取的收縮當(dāng)量溫差計(jì)算值是較為合理的。

(3) 徐變效應(yīng)對溫差的影響。大體積水工結(jié)構(gòu)中，徐變的出現(xiàn)使混凝土溫度應(yīng)力降低(即松弛)，減小了結(jié)構(gòu)的收縮裂縫。目前還沒有關(guān)于混凝土徐變特性的完整理論，國內(nèi)使用較多的方法是《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》中推薦的方法，即根據(jù)溫差變化快慢程度，直接取應(yīng)力松弛系數(shù)0.3～0.5。本工程中，考慮當(dāng)?shù)販囟茸兓淮蟮奶攸c(diǎn)，取應(yīng)力松弛系數(shù)0.4。

綜上所述，在不設(shè)置后澆帶的情況下最終的計(jì)算溫差[4]為

ΔT=(ΔTs+ΔTc)×0.4=-16.2 ℃

(4) 后澆帶的設(shè)置及其對計(jì)算溫差的影響。本工程中后澆帶大致為20～30 m間距布設(shè)一檔，同時(shí)根據(jù)本次有限元計(jì)算的結(jié)果調(diào)整其位置使其布設(shè)于溫度應(yīng)力較大的位置。根據(jù)計(jì)算公式，后澆帶的閉合時(shí)間越長，收縮當(dāng)量溫差越小。極端地考慮，如果在澆筑1年以后封閉后澆帶，則收縮當(dāng)量溫差將接近0 ℃。但是，這樣將對工期造成較大影響，并不合理。設(shè)計(jì)中考慮閉合時(shí)間為60天。此時(shí)：

ΔTs=-17.5 ℃

ΔT=(ΔTs+ΔTc)×0.4=-10.2 ℃

4.3 計(jì)算結(jié)果

本次數(shù)值計(jì)算的主要目的是分析后澆帶的設(shè)置對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的改善所起的作用，因此計(jì)算結(jié)果主要截取有無后澆帶兩種工況下超長結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力和變形。圖3為不設(shè)置后澆帶塢口結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，圖4為設(shè)置后澆帶后塢口結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力。

圖3 不設(shè)置后澆帶塢口結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力

圖4 設(shè)置后澆帶塢口結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

(1) 如果不設(shè)置后澆帶，塢口整體結(jié)構(gòu)的混凝土最大主拉應(yīng)力達(dá)到2.21MPa，超過了混凝土的許用應(yīng)力極限。設(shè)置后澆帶，混凝土最大主拉應(yīng)力值為1.3MPa，符合C40混凝土抗拉強(qiáng)度要求。計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)置后澆帶可以有效減小混凝土的溫度應(yīng)力，本工程中運(yùn)用該方法控制溫度裂縫產(chǎn)生是合理有效的。

(2) 計(jì)算結(jié)果表明，泵房部位的溫度應(yīng)力明顯小于塢墩，可見，三維實(shí)體的大體積混凝土受溫度應(yīng)力影響更大。因此，本工程的設(shè)計(jì)中考慮后澆帶布設(shè)于鄰近泵房、塢墩等大體積墩體結(jié)構(gòu)的位置。

(3) 溫度應(yīng)力的大小與結(jié)構(gòu)約束的設(shè)置有關(guān)，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在因約束而限制變形的結(jié)構(gòu)位置。計(jì)算中由于結(jié)構(gòu)底部由樁基支撐，因此在底板上設(shè)置了相應(yīng)約束，而最小位移和最大溫度應(yīng)力值均出現(xiàn)在這一區(qū)域。本工程塢口結(jié)構(gòu)樁基設(shè)計(jì)中盡量使得樁基均勻分布以避免因剛度差異出現(xiàn)局部溫度應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂縫。

目前，項(xiàng)目已經(jīng)建成，并順利運(yùn)營2年多時(shí)間。塢口部位未觀測到明顯裂縫以及滲漏情況。運(yùn)用合理配筋結(jié)合設(shè)置后澆帶的方法在本工程超長結(jié)構(gòu)的裂縫控制中效果顯著。圖5為塢口超長結(jié)構(gòu)澆筑完成照片。

圖5 塢口超長結(jié)構(gòu)澆筑完成照片

5 結(jié)論

在本工程塢口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)當(dāng)?shù)氐靥師釒?、四季溫差小的特點(diǎn)，因地制宜，突破規(guī)范限制，創(chuàng)新性地將兩塢塢口、泵房結(jié)構(gòu)無縫連接成總長205m的整體超長結(jié)構(gòu)。對控制超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的方法進(jìn)行了研究，得到以下解決塢口超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫問題的方法。

(1) 混凝土結(jié)構(gòu)中加配抗溫度裂縫鋼筋可以有效防止溫度裂縫的產(chǎn)生。

(2) 設(shè)置后澆帶可以有效減小混凝土的溫度應(yīng)力，進(jìn)而防止收縮應(yīng)力超過混凝土抗裂強(qiáng)度引起的裂縫。

(3) 超長混凝土結(jié)構(gòu)中后澆帶宜布設(shè)于鄰近泵房、塢墩等大體積墩體結(jié)構(gòu)的位置。塢口超長結(jié)構(gòu)如果采用樁基結(jié)構(gòu)形式，則樁基應(yīng)盡可能均勻布置。

本文的研究結(jié)論都成功應(yīng)用于實(shí)際船塢工程建設(shè)中。在如本文所述的工程條件下運(yùn)用超長混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)船塢塢口，成功解決了船塢建設(shè)用地局限以及超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題，為工程節(jié)省大量的資金和工期，也可為今后類似大型船塢塢口建設(shè)提供很好的參考方法。

[1] 李小軍，顧倩燕. 中船長興造船基地水工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 水運(yùn)工程，2009，B08: 43-49.

[2] 周光明. 混凝土后澆帶的處理方法[J]. 建筑技術(shù), 1990，4: 21.

[3] 王鐵夢. 工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[4] NEVILLE A M，DILGER W H, BROOKS J J. Creep of plain and structural concrete [M]. Construction Presses, New York， 1983.

Application of Super-Long Concrete Structure in Dry DockConstruction

ZHOU Ke1,2, HE Yuan1,2, MA Yongping1,2, Huang Haiyun1,2, LI Kun1,2

(1.CSSC China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd., Shanghai 200063, China;2.Shanghai Research Centre of Ocean & Shipbuilding Maritime Engineering, Shanghai 200063, China)

There are two dry docks constructed side by side simultaneously in a particular large-scale dry dock construction project at Southeast Asia. ANSYS FEM software is applied to analyze for this super-long concrete structure to solve the temperature stress problems. Based on analysis results, some reasonable measures such as installing additional reinforcement bars and setting post-casting band are suggested to reduce the temperature stress. The dock entrance structure of 205 m length is constructed successfully. The result of this research can provides reference for future similar engineering structure design.

large-scale dry dock; dock entrance; super-long concrete structure; temperature stress; ANSYS

周 科(1982-)，男，工程師，主要從事船塢、船臺(tái)、滑道等水工建筑物工程設(shè)計(jì)

1000-3878(2017)03-0015-05

U673

A