閘室大體積混凝土在高溫季節(jié)澆筑過程的溫控模擬和溫度應力研究

賴月漂 陸冠臻

船閘溫控的重點是低溫和高溫季節(jié)的混凝土澆筑問題，特別是基礎約束區(qū)部位和表面的溫控防裂。因此，必須高度重視大體積混凝土溫控防裂問題，解決施工進度與混凝土溫度控制措施之間的矛盾。文章依托廣西柳江紅花水利樞紐二線船閘工程，在高溫季節(jié)（7月份）澆筑條件下，對施工期的溫度場和溫度應力場數(shù)值進行模擬計算分析，確定出合理的施工方案，以保證施工的順利進行并加快施工進度。

閘室;大體積混凝土;高溫季節(jié)澆筑過程;溫控模擬;溫度應力

0?引言

船閘工程結(jié)構為大體積混凝土，為避免大體積混凝土在高溫季節(jié)澆筑施工中產(chǎn)生過大的溫度應力而開裂，在施工過程中應采取溫度控制措施及實施溫度監(jiān)測，從而提高船閘質(zhì)量及結(jié)構安全穩(wěn)定性。船閘溫控的重點是高溫季節(jié)的混凝土澆筑問題，特別是基礎約束區(qū)部位和表面的溫控防裂。本文根據(jù)船閘施工期分倉規(guī)劃、澆筑順序以及施工進度，模擬大體積混凝土澆筑過程中的各種影響因素，進行混凝土溫度場、溫度應力和結(jié)構應力數(shù)值模擬計算，對各種溫控措施的效果進行計算，分析不同的澆筑時段、澆筑層厚、間歇期、澆筑溫度及溫控方式對混凝土最高溫度和基礎溫差應力的影響，得出既滿足施工進度又滿足溫控防裂要求的溫控方案。總之，必須高度重視大體積混凝土溫控防裂問題，解決施工進度與混凝土溫度控制措施之間的矛盾，從而提高工程質(zhì)量。

1?船閘大體積混凝土溫度控制理論

1.1?溫度場計算的基本原理

為全面反映溫度對船閘結(jié)構特性的作用與影響，需要研究閘體施工期的溫度場、初期蓄水過程中閘體隨氣溫與水溫等因素變化的變化溫度場、運行蓄水期的穩(wěn)定（準穩(wěn)定）溫度場。根據(jù)熱量平衡原理，導出固體熱傳導基本方程：

x+（axx）+x（ayTy）+z（azTz）+ωcρ-Tτ=0（1）

式中：a——導溫系數(shù);

λ——導熱系數(shù);

c——材料比熱;

ρ——材料容重;

τ、T——分別描述任意時刻和溫度。

1.2?溫度應力計算的基本原理

混凝土溫度應力分為外部約束引起的應力和閘體內(nèi)引起的應力。本文主要從混凝土徐變、各階段應力計算平衡方程、單元應力及應力增力進行分析研究。

（1）外部約束引起的應力：當混凝土與其它物體相連接時，其溫度變化引起的體積變形（膨脹或收縮）便不能自由發(fā)生，要受到連接物體的限制。

（2）閘體內(nèi)引起的應力：如果混凝土塊的溫度變化在截面上的分布是非線性的，即造成混凝土塊內(nèi)部質(zhì)點體積變形的不協(xié)調(diào)，相互約束而不能自由發(fā)生。

1.3?混凝土應力控制標準

根據(jù)混凝土各齡期的彈性模量、相應的極限拉伸值，本文計算了船閘混凝土的允許水平拉應力（或主拉應力），如表1所示。

1.4?混凝土內(nèi)外溫差及允許最高溫度

1.4.1?內(nèi)外溫差

為了防止閘體內(nèi)外溫差過大引起混凝土表面產(chǎn)生裂縫，施工中閘體內(nèi)外溫差要求控制在25 ℃。

1.4.2?允許最高溫度

混凝土基礎約束區(qū)允許最高溫度取決于穩(wěn)定溫度、基礎溫差、內(nèi)外溫差和上下層溫差等;非約束區(qū)最高溫度按照低溫季節(jié)、常溫季節(jié)、高溫季節(jié)的平均氣溫與內(nèi)外溫差之和取值。本文研究允許最高溫度控制標準見表2和表3。

2?溫控措施與溫度應力數(shù)值模擬研究

2.1?計算模型及計算方案

2.1.1?計算模型

本文的計算模型采用有限元模型，選用閘室作為數(shù)值模擬對象，整個閘室的溫度場及應力場三維計算網(wǎng)格立體圖如圖1～2所示。為簡化計算，在計算參數(shù)的選取方面，整個閘室均采用同一種混凝土澆筑，即C25常態(tài)混凝土。

2.1.2?計算方案

在混凝土澆筑過程中，分為基礎強約束區(qū)、基礎弱約束區(qū)及非約束區(qū)澆筑層，在不同層厚澆筑情況下進行研究計算。在高溫季節(jié)（7月份）澆筑時，溫控措施研究分為不采取任何溫控措施、采取降低混凝土澆筑溫度（如采取加冰拌合或風冷骨料等措施）及采取通水冷卻等措施組合數(shù)值模擬的工況。

2.2?數(shù)值模擬研究

選取圖3所示的三個典型斷面（2#～4#）進行分析，經(jīng)過數(shù)值模擬計算，得到閘室在高溫季節(jié)澆筑且無任何溫控措施條件下溫度場與溫度應力場包絡圖。

2.2.1?高溫季節(jié)（7月份）澆筑溫控及溫度應力數(shù)值模擬

2.2.1.1?選取閘室內(nèi)部典型特征點

本次研究通過提取閘室內(nèi)部典型特征點研究高溫季節(jié)按以下四種工況澆筑混凝土的情況下的溫度與應力歷程曲線變化，并分析其規(guī)律。典型特征點的選取如圖4所示。

其中：NO.1為基礎強約束區(qū)內(nèi)部典型特征點;NO.2為基礎弱約束區(qū)內(nèi)部典型特征點;NO.3為非約束區(qū)內(nèi)部典型特征點。

2.2.1.2?研究的四種工況

（1）不采取任何溫控措施工況;

（2）采取控制澆筑溫度≤28 ℃，但不采取其他溫控措施工況;

（3）采取通水冷卻措施工況;

（4）控制澆筑溫度與通水冷卻相結(jié)合工況。

2.2.1.3?高溫季節(jié)澆筑條件四種工況下的研究結(jié)果

（1）基礎強約束區(qū)內(nèi)部典型特征點溫度歷程曲線如圖5所示，相應的第一主應力歷程曲線如圖6所示。

由基礎強約束區(qū)的溫度應力歷程曲線可知，基礎強約束區(qū)的應力最大值發(fā)生在澆筑后的低溫季節(jié)，這是由于高溫季節(jié)澆筑后混凝土水化生熱，當?shù)蜏丶竟?jié)到來時，該區(qū)域的混凝土將遇冷收縮，但是受到地基的強約束作用，溫差產(chǎn)生的收縮就會導致較大的拉應力。降低高溫季節(jié)的澆筑溫度可以有效減少這一個溫差的影響，從而降低基礎強約束區(qū)的應力峰值。若在高溫季節(jié)降低澆筑溫度的同時采取通水冷卻的措施，可以進一步降低這一溫差，從而降低低溫季節(jié)導致的拉應力。但是由于通水冷卻時的混凝土出現(xiàn)了較大的溫降速率，通水階段本身也會出現(xiàn)較大的拉應力，因此需要嚴格控制通水冷卻的流量和通水溫度。

（2）基礎弱約束區(qū)內(nèi)部典型特征點溫度歷程曲線如圖7所示，相應的第一主應力歷程曲線如下頁圖8所示。

由基礎弱約束區(qū)的溫度應力歷程曲線可知，高溫季節(jié)澆筑的混凝土最大應力仍然出現(xiàn)在澆筑后的低溫季節(jié)，此時降低澆筑溫度仍然可以減小這一應力峰值，但是由于該區(qū)域混凝土受到地基的約束作用已經(jīng)不明顯，因此由于通水溫降產(chǎn)生的拉應力得到了改善。

（3）非約束區(qū)內(nèi)部典型特征點溫度歷程曲線如圖9所示，相應的第一主應力歷程曲線如圖10所示。

由非約束區(qū)的溫度應力歷程曲線可知，較高的澆筑溫度與低溫季節(jié)出現(xiàn)的溫差依然是導致應力較大的主要原因，此時降低澆筑溫度仍然可以減小這一應力峰值，通水冷卻仍可以取得較好的效果。

3?建議

（1）由各工況的溫度過程曲線與應力過程曲線可知，溫度與應力的變化曲線符合基本規(guī)律，基礎強約束區(qū)通過溫度控制可以顯著降低最高溫度與最大應力。高溫季節(jié)澆筑的混凝土要進行澆筑溫度的控制，必要時輔助以通水措施，能取得較好的溫控防裂效果，但需防止因降溫過快導致的氣溫倒灌等現(xiàn)象發(fā)生。

（2）根據(jù)閘室典型段穩(wěn)定溫度場計算結(jié)果，計算船閘施工期溫度應力及綜合應力，以制定混凝土基礎溫差控制標準及上下層溫差控制標準。若保證混凝土出機口溫度與澆筑溫度之間相差6 ℃以內(nèi)，可考慮氣溫在22 ℃以下無需額外溫控措施，但需要注意防范氣溫驟降的情況。

（3）詳細考慮氣候條件、混凝土材料的熱學力學特性、澆筑溫度、澆筑層厚、通水冷卻、層間間歇、表面保溫條件等一系列因素，進行有限元數(shù)值模擬，對船閘澆筑塊的溫度和應力結(jié)果作出綜合評價。施工時應避免出現(xiàn)長間歇期澆筑的情況，特別是間歇期超過10 d的情況，以防止新舊混凝土交接面出現(xiàn)大溫差以及變形不協(xié)調(diào)的問題，推薦混凝土澆筑間歇期為7 d。

（4）若為7月澆筑，采取基礎強約束區(qū)降低澆筑溫度與通水冷卻結(jié)合的方案，可以取得較好的溫控防裂效果。

（5）冬季極端氣候特別是短時間（2～3 d）氣溫驟降條件下，混凝土表面溫度出現(xiàn)突然降低，溫度應力將出現(xiàn)急劇上升。對于低溫季節(jié)澆筑的早齡期混凝土要及時保溫，而對于夏季澆筑的混凝土要進行冬季保溫，對輸水廊道區(qū)域可進行表面保溫與廊道出入口臨時封閉以減緩空氣對流，達到控制溫度與應力的目的。

4?結(jié)語

本文基于實際工程提出了一些具體的溫控措施，但工程實際施工過程會受到多種因素影響，情況十分復雜，還有很多因素考慮不足。比如鋼纖維的摻入、采用中低熱水泥、船閘誘導縫應該如何布置以及各種保溫材料的選取等。

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