水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫控制技術(shù)研究

陳開(kāi)宇，周奕琦

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

船閘導(dǎo)航墻、閘室墻等是船閘工程的重要組成部分，具有結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度長(zhǎng)、體積大、高度高、斷面結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，是典型的異型大體積混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)以往的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)航墻、閘室墻等類似結(jié)構(gòu)，普遍存在不同程度的豎向規(guī)則裂縫，若溫控措施不當(dāng)，將極易產(chǎn)生貫穿性裂縫，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。已有文獻(xiàn)從設(shè)計(jì)、材料、施工各角度，對(duì)混凝土裂縫的成因、控制措施等進(jìn)行闡述，但是此類結(jié)構(gòu)的裂縫問(wèn)題依舊突出[1]。

本文借助ANSYS有限元軟件，針對(duì)豎向高度較大的連續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度裂縫控制研究，建立某船閘導(dǎo)航墻三維有限元模型，進(jìn)行多工況下的溫度場(chǎng)計(jì)算與分析，給類似工程設(shè)計(jì)、施工提供參考。已知某船閘導(dǎo)航墻為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，豎向高度為6.6 m，最寬處寬度為4.2 m，其斷面尺寸如圖1所示。該已建船閘導(dǎo)航墻采用全斷面澆筑措施，導(dǎo)航墻側(cè)面出現(xiàn)了一定數(shù)量的豎向貫穿裂縫[2]。

圖1 導(dǎo)航墻斷面圖（單位：m）

1 有限元仿真

1.1 保溫層近似處理

實(shí)際工程中，混凝土表面通常采取相應(yīng)的保溫養(yǎng)護(hù)措施。為了按照第三類邊界條件計(jì)算，通常運(yùn)用等效放熱系數(shù)法對(duì)模板或保溫層進(jìn)行簡(jiǎn)化[3]。先計(jì)算每層保溫材料的熱阻，公式如下：

式中：hi為第i層保溫材料的厚度；λi為第i層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)；Ri為第i層保溫材料熱阻。最外層保溫材料與空氣間的熱阻為1/β（β為表面放熱系數(shù)，kJ/（m2·h·℃）），所以若干層保溫材料的總熱阻Rs可由下式計(jì)算：

保溫層本身熱容量較小，可以忽略，則混凝土表面通過(guò)保溫層向周圍介質(zhì)放熱的等效放熱系數(shù)βs可用下式計(jì)算：

1.2 水管冷卻下的熱傳導(dǎo)方程

由于水管附近的溫度梯度很大，必須布置密集的網(wǎng)格才可得到比較準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)。如果將冷卻水管視為熱匯，在平均意義上考慮水管冷卻效果，可使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化[4]。等效熱傳導(dǎo)方程為：

式中：T0為混凝土初始溫度；α為混凝土導(dǎo)溫系數(shù)。等效熱傳導(dǎo)方程的右邊由2個(gè)多項(xiàng)式組成，第一個(gè)多項(xiàng)式是代表通過(guò)冷卻水管的側(cè)面邊界與混凝土產(chǎn)生熱量交換而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度變化；另一個(gè)多項(xiàng)式為（T-T0）代表混凝土結(jié)構(gòu)外表面在絕熱條件下，因絕熱溫升θ和水管冷卻作用導(dǎo)致其平均溫度的變化。

1.3 模型參數(shù)

導(dǎo)航墻的模型參數(shù)包括導(dǎo)航墻尺寸參數(shù)、混凝土配合比、混凝土的熱學(xué)參數(shù)、力學(xué)參數(shù)等?；炷僚浜媳纫?jiàn)表1，承臺(tái)溫度場(chǎng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 C30混凝土配合比

表2 混凝土溫度場(chǎng)研究參數(shù)

1.4 模型建立

借助ANSYS軟件，針對(duì)實(shí)際施工中的全斷面澆筑方案，對(duì)承臺(tái)進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，計(jì)算導(dǎo)航墻在施工期的溫度場(chǎng)。在溫度場(chǎng)分析中，使用SOLID70單元進(jìn)行模擬。SOLID70單元具有空間3個(gè)方向的熱傳導(dǎo)能力，每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅有1個(gè)溫度自由度，適用于三維的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析。本文的所有模型均采用四面體網(wǎng)格劃分。全斷面澆筑下的導(dǎo)航墻有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 導(dǎo)航墻三維有限元網(wǎng)格模型

2 全斷面澆筑

根據(jù)該船閘導(dǎo)航墻實(shí)際施工情況，導(dǎo)航墻取15 m為一段，采用全斷面澆筑。模擬夏季施工，外界氣溫最值為（30±10）℃。設(shè)定計(jì)算（澆筑）開(kāi)始時(shí)間為0 h，計(jì)算截止時(shí)間為720 h。圖3為全斷面澆筑下溫峰時(shí)刻導(dǎo)航墻溫度場(chǎng)云圖。圖4為澆筑結(jié)束后，導(dǎo)航墻前2周的溫峰值隨齡期變化圖。

圖3 全斷面澆筑下導(dǎo)航墻溫峰時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖（單位：℃）

圖4 全斷面澆筑下導(dǎo)航墻溫峰值隨齡期變化圖

如圖3、圖4所示，全斷面澆筑下的導(dǎo)航墻溫峰值為72.75℃，出現(xiàn)在澆筑開(kāi)始的76 h，溫峰值出現(xiàn)在約3.7 m高度處，此時(shí)的內(nèi)表溫差為30.5℃。由于導(dǎo)航墻的散熱條件較差，大量的水化熱積聚在混凝土內(nèi)部難以散發(fā)，溫度場(chǎng)峰值下降緩慢，導(dǎo)致導(dǎo)航墻內(nèi)部長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，存在極大的裂縫安全隱患。根據(jù)《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》（JTS-202-1—2010）[5]，混凝土內(nèi)部溫度不宜超過(guò)70℃，內(nèi)表溫差不超過(guò)25℃。顯然，全斷面澆筑不能滿足溫度裂縫控制的要求，該已建船閘導(dǎo)航墻側(cè)面也出現(xiàn)了一定數(shù)量的豎向貫穿裂縫。

因此，全斷面澆筑方式下，混凝土結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生大量規(guī)則的豎向貫穿溫度裂縫，有必要針對(duì)此澆筑方式進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。

3 澆筑措施優(yōu)化

從優(yōu)化澆筑措施以及控制溫度裂縫的角度，根據(jù)導(dǎo)航墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及大體積混凝土施工分層要求，取15 m為一段，再將每段導(dǎo)航墻分成4層，分層施工。第一層厚1 m，第二、三層厚1.8 m，第四層混凝土層厚2 m。分層施工示意圖見(jiàn)圖5。各層的澆筑開(kāi)始時(shí)間分別為 0 h，180 h，360 h，540 h，模型計(jì)算截止時(shí)間為720 h。

圖5 導(dǎo)航墻分層施工示意圖（單位：m）

圖6 為導(dǎo)航墻分層澆筑下的溫峰時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖?；炷两Y(jié)構(gòu)的溫峰值為62.79℃，出現(xiàn)在第三層澆筑開(kāi)始的64 h，溫峰值出現(xiàn)在約4 m高度處，此時(shí)的內(nèi)表溫差為24.6℃。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，從溫度場(chǎng)要求考慮，分層澆筑可以滿足溫度裂縫控制的要求。

圖6 導(dǎo)航墻分層澆筑下溫峰時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖（單位：℃）

導(dǎo)航墻全斷面澆筑結(jié)束后的前2周溫峰值變化與分層澆筑下第三層混凝土澆筑結(jié)束后的前2周溫峰值變化曲線對(duì)比如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，分層澆筑時(shí)的溫峰值平均下降了9.96℃，內(nèi)表溫差平均下降了5.9℃。由于分層澆筑，混凝土的散熱條件有了較好的改變，在第四層混凝土澆筑前，第三層混凝土的降溫速率近2℃/d。

圖7 不同澆筑方式下導(dǎo)航墻溫峰值隨齡期變化曲線對(duì)比圖

在很多情況下，由于底層混凝土阻尼系數(shù)較大，導(dǎo)致混凝土容易出現(xiàn)豎向貫穿裂縫。表層的裂縫可以用鋼筋網(wǎng)片解決，而內(nèi)部的裂縫則容易被忽視。從施工方便角度考慮，一層一層地澆筑導(dǎo)航墻，導(dǎo)致施工工序繁雜，同時(shí)分層澆筑工期會(huì)受影響。所以，只是采取分層澆筑顯然是不夠的。為此需要在能控制溫度裂縫的情況下，優(yōu)化施工工藝，縮短工期。

4 優(yōu)化溫控措施

4.1 方案設(shè)計(jì)

對(duì)于豎向高度較高的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，考慮到施工難度，采用全斷面施工是有難度的，對(duì)溫度裂縫控制也不利。因此，可以考慮在適當(dāng)分層的基礎(chǔ)上，采用布設(shè)冷卻水管的方式來(lái)控制溫度裂縫。通過(guò)管冷措施來(lái)帶走混凝土內(nèi)部的水化熱，優(yōu)化混凝土的散熱條件。

導(dǎo)航墻分兩層澆筑，第一層混凝土澆筑厚3.0 m，澆筑開(kāi)始時(shí)間為0 h；第二層厚3.6 m，澆筑開(kāi)始時(shí)間為240 h，計(jì)算截止時(shí)間為480 h。冷卻水管采用管徑30 mm的Q235鋼管，水管豎向共兩層，第一層距地面1.5 m，第二層距地面4.0 m。水管距混凝土表面0.75 m，水管水平間距0.9 m，兩層水管各有一套進(jìn)出水系統(tǒng)。冷卻水管在澆筑開(kāi)始10 h后通水，通水6 d，流速控制在0.6 m/s。冷卻水管布置如圖8所示。

圖8 冷卻水管布設(shè)圖

4.2 管冷措施下溫度場(chǎng)計(jì)算

此方案下的溫度場(chǎng)峰值時(shí)刻計(jì)算云圖見(jiàn)圖9。導(dǎo)航墻溫峰值為59.69℃，出現(xiàn)在第二層混凝土澆筑開(kāi)始的72 h，此時(shí)的內(nèi)表溫差為23.56℃。此方案較只分層澆筑方案溫峰值降低了3.1℃，內(nèi)表溫差降低了1.04℃。顯然，此方案符合溫控要求。計(jì)算截止時(shí)的溫度場(chǎng)云圖如圖10所示，此時(shí)混凝土內(nèi)部溫峰值與環(huán)境溫差小于20℃，符合拆模要求。而且，導(dǎo)航墻的施工時(shí)間由720 h減少到480 h，工期大大縮短。

圖9 布設(shè)冷卻水管下的溫峰時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖（單位：℃）

圖10 布設(shè)冷卻水管下計(jì)算截止時(shí)刻（480 h）溫度場(chǎng)云圖（單位：℃）

5 抗裂系數(shù)計(jì)算

由于溫峰值出現(xiàn)在第二層混凝土澆筑后，并且混凝土的阻尼系數(shù)比導(dǎo)航墻基礎(chǔ)要大，因此根據(jù)對(duì)應(yīng)齡期的內(nèi)表溫差和溫峰值，參照文獻(xiàn)[5]，還需要計(jì)算第二層混凝土的內(nèi)約束和外約束的抗裂安全系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 第二層混凝土內(nèi)約束抗裂安全系數(shù)

表4 第二層混凝土外約束抗裂安全系數(shù)

由表3、表4可知，導(dǎo)航墻的內(nèi)、外約束抗裂安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的1.15。表明布設(shè)冷卻水管并結(jié)合合理的分層澆筑可以滿足導(dǎo)航墻溫度裂縫控制要求，此方案具有一定的可行性。

因此，在設(shè)計(jì)、施工時(shí)，對(duì)于豎向高度較高的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，為了滿足溫度裂縫控制及盡可能縮短工期的要求，宜采用布設(shè)冷卻水管的方式，同時(shí)結(jié)合適當(dāng)分層施工。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)有限元軟件ANSYS建立了導(dǎo)航墻三維有限元數(shù)值模型，并針對(duì)不同工況下的結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算與分析。通過(guò)全斷面澆筑與分層澆筑溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，只采用分層澆筑可以較好地控制混凝土的溫峰值，但容易因外約束應(yīng)力產(chǎn)生裂縫，同時(shí)工期會(huì)因此延長(zhǎng)。

（2）通過(guò)適當(dāng)分層澆筑結(jié)合冷卻水管作用的有限元數(shù)值模擬，表明大體積混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管能夠很好地起到削峰降溫的作用，同時(shí)降低內(nèi)部與表面溫差、表面與空氣溫差等溫控指標(biāo)，從而起到控制溫度裂縫的作用。而且，合理的分層措施還可以大大節(jié)約工期。

（3）通過(guò)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在夏季進(jìn)行大體積混凝土施工時(shí)，由于白天氣溫較高，日照強(qiáng)烈，且晝夜溫差較大，混凝土的內(nèi)表溫差所受影響較大，所以還應(yīng)注意選擇合適的澆筑溫度、養(yǎng)護(hù)方式和養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)。