不同施工方案下大型渡槽抗裂效果模擬

雷 娜

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

不同施工方案下大型渡槽抗裂效果模擬

雷 娜

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

為了控制渡槽由于混凝土水化熱而產(chǎn)生的裂縫，以某大型渡槽工程為例，通過在槽身混凝土中預(yù)埋冷卻水管，并采用不同溫度和流量的循環(huán)水進(jìn)行冷卻，在鋼模外表面不同部位采取不同厚度的貼塑保溫措施、控制澆筑溫度等進(jìn)行了施工方案的數(shù)值模擬，為今后處理類似渡槽等水工混凝土建筑物的裂縫防治提供有益的參考。

渡槽；水管冷卻；裂縫；數(shù)值模擬

1 工程概況

某大型渡槽工程等別為Ⅰ等，主要建筑物等級為Ⅰ級，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。該渡槽全長2300 m，由進(jìn)口段、槽身段、出口段等組成，進(jìn)、出口底板高程分別為62.245 m、61.527 m，出口縱坡坡度為1/3950，設(shè)計流量為125 m3/s，加大流量為150 m3/s。渡槽結(jié)構(gòu)型式采用三槽一聯(lián)帶拉桿加肋預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，單跨為30 m，渡槽斷面高5.4 m，凈寬6.0 m，中墻厚0.7 m，側(cè)墻厚0.6 m；側(cè)肋寬0.5 m，高0.7 m；底肋寬0.5 m，高0.9 m；邊縱梁寬1.3 m，高2.0 m；中縱梁寬1.4 m，高2.0 m；拉桿斷面寬0.3 m，高0.4 m；槽身普通鋼筋采用Ⅱ級鋼筋，支座為GPZⅡ盆式支座。槽身采用三向預(yù)應(yīng)力鋼筋：沿縱向兩側(cè)邊縱梁各布9個孔道和83束鋼絞線，共計18個孔道和166束鋼絞線；沿縱向每個中縱梁布13個孔道和128束鋼絞線，兩個底板共布2個孔道和96束鋼絞線；另外在橫向和豎向還應(yīng)布置一定數(shù)量的孔道和鋼絞線[1-3]。以上所有預(yù)應(yīng)力鋼絞線均采用兩端張拉。

2 計算模型及參數(shù)

為了控制渡槽由于混凝土水化熱等而產(chǎn)生的裂縫，在槽身混凝土中預(yù)埋冷卻水管并采用不同溫度和流量的循環(huán)水進(jìn)行冷卻，在鋼模外表面不同部位采取不同厚度的貼塑保溫措施、控制澆筑溫度等措施進(jìn)行了施工方案的數(shù)值模擬。

2.1 計算模型

根據(jù)設(shè)計的渡槽結(jié)構(gòu)型式，槽身分兩層澆筑：中縱梁、底肋、底板及墻底“八”字垂直向上25 cm范圍內(nèi)為第一層，高3.25 m，單跨共澆筑混凝土量約765 m3，澆筑時間20 h左右；墻體、走道板、預(yù)制拉桿梁等上部結(jié)構(gòu)為第二層，高4.65 m，共澆筑混凝土量約459 m3，澆筑時間14 h左右，該層在澆筑第一層后約15～20 d開始澆筑?？紤]環(huán)境對渡槽結(jié)構(gòu)等的影響，為更好的模擬出冷卻水管周圍混凝土溫度的變化，對水管及周圍的槽身網(wǎng)格采用加密處理。由于本次槽身斷面結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此本次只選取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，以減少運算時間和工作量。渡槽混凝土配合比見表1，計算模型的網(wǎng)格剖分情況如圖1所示。

表1 渡槽混凝土配合比

圖1 計算模型網(wǎng)格剖分圖

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實測溫度資料、混凝土熱學(xué)試驗和抗拉試驗，以及反分析得到了相關(guān)計算參數(shù)。當(dāng)?shù)囟嗄暝缕骄鶜鉁財M合公式如下：

(1)

式中：Ta(t)為當(dāng)?shù)囟嗄暝缕骄鶜鉁兀?；t為月份，月。

混凝土絕熱溫升按下式計算：

θ(τ)=50.055×(1-e-0.251τ1.98)

(2)

式中：θ(τ)為混凝土絕熱溫升，℃；τ為混凝土齡期，d。

通過熱學(xué)試驗得到的各材料的表面放熱系數(shù)如下：無風(fēng)時鋼模板的表面放熱系數(shù)為30.34 kJ/(m2·h·℃)，風(fēng)速為2.2 m/s時鋼模板的表面放熱系數(shù)為51.55 kJ/(m2·h·℃)，無風(fēng)且鋼模板外貼1.5 cm厚保溫板時的表面放熱系數(shù)為18.20 kJ/(m2·h·℃)，風(fēng)速為2.2 m/s且鋼模板外貼1.5 cm厚保溫板時的表面放熱系數(shù)為24.71 kJ/(m2·h·℃)，土工膜表面放熱系數(shù)為14.49 kJ/(m2·h·℃)，風(fēng)速為2.2 m/s且6 cm厚草袋覆蓋時的表面放熱系數(shù)為7.21 kJ/(m2·h·℃)，風(fēng)速為2.2 m/s且10 cm厚草袋覆蓋時的表面放熱系數(shù)為4.58 kJ/(m2·h·℃)，混凝土的泊松比為0.167。

混凝土的徐變度按下式計算：

C(t,τ)=6.12×(1+9.20τ-0.45)·

[1-e-0.30(t-τ)]+13.83×(1+1.70τ-0.45)·

[1-e-0.005(t-τ)]

(3)

式中：C(t,τ)為混凝土的徐變度，MPa-1；t為加荷時間，d；τ為混凝土齡期，d。

根據(jù)混凝土抗拉試驗成果，得到其抗拉強度的擬合關(guān)系式如下：

R=4.5×(1-e-0.586τ0.576)

(4)

式中：R為混凝土的抗拉強度，MPa；τ為混凝土齡期，d。

混凝土彈性模量的擬合值為：

E=43.1×(1-e-0.588τ0.552)

(5)

式中：E為混凝土的彈性模量，MPa；τ為混凝土齡期，d。

混凝土體積變形擬合值為：

εV=186.66×(1-e-0.02τ1.04)

(6)

式中：εV為混凝土的體積變形模量，MPa；τ為混凝土齡期，d。

計算模型的溫度邊界選取如下：重力墩四周外表面、基礎(chǔ)底面和模型對稱面為絕熱邊界，剩余面均取為熱交換邊界。位移邊界選取如下：重力墩四周、模型對稱面和渡槽底面為連桿支撐，重力墩基礎(chǔ)底面為鉸支座，剩余邊界為自由邊界。

3 計算方案及結(jié)果

3.1 計算方案

施工方案共分為兩種方案，如下：

方案一：①主梁和次梁。在混凝土澆筑后的前3.5 d，冷卻水管中的水流速按1.2 m/s，流量按5.42 m3/h，其中前2 d冷卻水溫為12 ℃，2.0～3.5 d冷卻水溫為16 ℃且水管中水流方向相反；在混凝土澆筑后的3.5～4.5 d，冷卻水管中的水流速按0.6 m/s，流量按2.71 m3/h，冷卻水溫為19 ℃且再次改變水管中水流方向；在混凝土澆筑后的4.5～6.0 d，冷卻水管中的水流速按0.3 m/s，流量按1.35 m3/h，冷卻水溫為22 ℃且再次改變水管中水流方向。②上部墻體。在混凝土澆筑后的前3 d，冷卻水管中的水流速按1.2 m/s，流量按5.42 m3/h，其中前2 d冷卻水溫為12 ℃，第3 d 冷卻水溫為16 ℃；在混凝土澆筑后的3.0～3.5 d，冷卻水管中的水流速按0.6 m/s，流量按2.71 m3/h，冷卻水溫為19 ℃且改變水管中水流方向；在混凝土澆筑后的3.5～4.5 d，冷卻水管中的水流速按0.3 m/s，流量按1.35 m3/h，冷卻水溫為22 ℃且再次改變水管中水流方向。③對主梁、次梁和底板鋼模外表面外貼0.5 cm厚的保溫板，上部墻體高度3.3 m以下鋼模外表面外貼1 cm厚保溫板。施工開始后的前3 d晝夜溫差按15 ℃選取，在第8 d拆模。④混凝土的澆筑溫度不得超過26 ℃，第一次和第二次澆筑時間間隔為15 d。

方案二：將方案一中各時段冷卻水管中的水溫各提高2 ℃，另外對上部墻體高度3.3 m以下鋼模外表面外貼0.5 cm厚保溫板，其余施工方案同方案一。

3.2 計算結(jié)果及分析

采用ANSYS軟件，考慮混凝土水化熱對混凝土絕熱溫升、放熱系數(shù)、彈性模量和體積變形的影響，并考慮溫度、自重、體積變形和徐變等引起的荷載，選取邊主梁跨中下緣特征點1和特征點2，對不同施工方案限制渡槽裂縫進(jìn)行數(shù)值模擬分析。各方案的計算結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 方案一特征點溫度和應(yīng)力歷時曲線

由圖2可以看出：在澆筑混凝土后2～3 d之內(nèi)，主梁兩端靠近梁中心未布設(shè)冷卻水管的區(qū)域其內(nèi)部可達(dá)到的最高溫度約為55 ℃，此時冷卻水管管壁溫度約為45 ℃，主梁內(nèi)部和表面的內(nèi)外部溫差約為5.5 ℃，主梁表面拉應(yīng)力最大為1.0 MPa，內(nèi)部壓應(yīng)力最大為0.5 MPa；次梁內(nèi)部最高溫度約為50 ℃，在上下層冷卻水管之間的混凝土最高溫度約為54 ℃；上部墻體兩端靠近墻中間部位最高溫度更是可達(dá)60 ℃，此時管壁溫度約為42 ℃，在上下層冷卻水管之間的混凝土最高溫度約為50 ℃。在混凝土內(nèi)部管壁周圍的應(yīng)力較小，約為0.5 MPa。隨著齡期的增長，混凝土內(nèi)部溫度逐漸下降，到一定程度后，混凝土內(nèi)部和外表面的應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且應(yīng)力均很小未超過混凝土允許抗拉強度，混凝土產(chǎn)生裂縫的概率很小。

圖3 方案二特征點溫度和應(yīng)力歷時曲線

由圖3可以看出：由于冷卻水溫比方案一提高2 ℃，在澆筑混凝土后2～3 d之內(nèi)，主梁相應(yīng)部位的最高溫度約為55.5 ℃，次梁內(nèi)部最高溫度約為50.5 ℃。隨著齡期的增長，混凝土內(nèi)部溫度有較大降幅，導(dǎo)致主梁拉應(yīng)力較方案一有所增大，次梁的溫度和應(yīng)力變化與主梁相同。由于方案二中對上部墻體的保溫措施減弱，導(dǎo)致混凝土外表面的溫度下降約1 ℃，內(nèi)部下降約0.6 ℃。

4 結(jié) 論

采用ANSYS軟件對不同施工方案限制渡槽裂縫進(jìn)行數(shù)值模擬，無論是方案一和方案二，其共同點在于：在澆筑混凝土后2～3 d之內(nèi)，主梁、次梁和上部墻體均出現(xiàn)最高溫度，此時混凝土外表面出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，而其內(nèi)部則出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，隨著齡期的增長，混凝土內(nèi)部溫度逐漸下降，混凝土內(nèi)部和外表面的應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且應(yīng)力均很小未超過混凝土允許抗拉強度，混凝土產(chǎn)生裂縫的概率很小。其區(qū)別在于：方案二提高了水溫，主梁和次梁的相應(yīng)部位的溫度較方案一高0.5 ℃，后期應(yīng)力較大，而上部墻體溫度比方案一有所降低，且后期應(yīng)力有所減小，故推薦采用方案二。

[1] 中華人民共和國水利部．水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：SL 191—2008[S]．北京：中國水利水電出版社，2008.

[2] 中華人民共和國水利部．灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計規(guī)范：SL 482—2011[S]．北京：中國水利水電出版社，2011.

[3] 董安建, 李現(xiàn)社. 水工設(shè)計手冊:第9卷 灌排、供水(精)[M].2版.中國水利水電出版社, 2014.

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2096-0506(2017)11-0064-04

雷 娜(1985-)，女，陜西渭南人，工程師,主要從事水工建筑物設(shè)計與優(yōu)化研究工作。E-mail:276670410@qq.com。