倒T形混凝土結(jié)構(gòu)后澆帶設(shè)置最優(yōu)間距探討

郭高貴，許 樸，林 奔

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

水利工程中存在大量由混凝土底板和墻體所構(gòu)成的倒T形混凝土結(jié)構(gòu)，如水閘底板與墩墻、泵站底板與流道墻體、渡槽底板與隔墻或邊墻、倒虹吸底板與邊墻、涵洞底板與隔墻甚至擋土墻體等。工程經(jīng)驗(yàn)表明，建設(shè)過程中墻體結(jié)構(gòu)無(wú)論在施工期的早期升溫階段還是在后期的降溫階段，由于受到內(nèi)外溫差和底板約束的作用而容易出現(xiàn)溫度裂縫[1-2]，嚴(yán)重影響工程的建設(shè)質(zhì)量和耐久性?；炷翜囟攘芽p出現(xiàn)的主要原因在于其內(nèi)部溫度瞬態(tài)場(chǎng)的分布、邊界條件的限制、溫度變化量及其相應(yīng)的溫度變形之間的轉(zhuǎn)化[3]。設(shè)置后澆帶是一種行之有效的溫控防裂措施[4-5]。

《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》(GB 50666—2017)[6]給出后澆帶的定義為適應(yīng)環(huán)境溫度變化、混凝土收縮、結(jié)構(gòu)不均勻沉降等因素影響，在梁、板(包括基礎(chǔ)底板)、墻等結(jié)構(gòu)中預(yù)留的具有一定寬度且經(jīng)過一定時(shí)間后再澆筑的混凝土帶。

后澆帶的設(shè)置應(yīng)遵循“抗放兼施，先放后抗”設(shè)計(jì)原則。王鐵夢(mèng)[7]開創(chuàng)了針對(duì)工民建大體積混凝土的專項(xiàng)研究，結(jié)合具體工程實(shí)例，考慮混凝土干燥收縮的影響，得到溫度應(yīng)力與結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度之間的非線性關(guān)系，給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)置后澆帶時(shí)可用來參考的理論依據(jù)和已建成的成功項(xiàng)目案例。朱伯芳[8]提出采用塊縫法代替填縫法，采用預(yù)先設(shè)計(jì)好的人工縫，配以鍵槽和注漿設(shè)備。吳中偉[9]建議用補(bǔ)償混凝土解決混凝土變形引起的裂縫，或者用“膨脹加固帶”完全或部分替代后澆帶。ACI委員會(huì)、日本建筑學(xué)會(huì)JASS和英國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范也均認(rèn)為在施工中采用分縫分塊是可行的方法。

目前，對(duì)后澆帶的加固、澆筑、寬度和布置等方面的研究較多[10]。但不同條件下的后澆帶合理間距應(yīng)該怎樣取值一直沒有普適性的依據(jù)。因此，以長(zhǎng)江中下游平原河網(wǎng)地區(qū)的軟土樁基倒T形混凝土結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，著重進(jìn)行后澆帶間距進(jìn)行了敏感性分析，以期對(duì)類似結(jié)構(gòu)在不同季節(jié)澆筑時(shí)的后澆帶設(shè)置間距提供合理的建議。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

1.1 有限元計(jì)算模型

建立倒T形混凝土結(jié)構(gòu)的不同后澆帶間距的有限元模型，其中底板長(zhǎng)100 m、寬100 m、厚 2 m，墊層厚 0.2 m，軟土地基厚30 m，巖基厚20 m，底板與墊層下軟土地基內(nèi)有樁基，地基沿上下游各延伸50 m，如圖1、圖2所示。模型坐標(biāo)的原點(diǎn)位于左岸第一個(gè)碼頭的下游表面的中心。Z軸垂直向上，X軸橫跨河流，Y軸根據(jù)右手螺旋規(guī)則指向上游。表1中顯示了具有不同后澆注間距的模型元素和節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

圖1 有限元計(jì)算模型網(wǎng)格

表1 不同結(jié)構(gòu)的單元數(shù)量與節(jié)點(diǎn)數(shù)量

圖2 不同后澆帶間距下結(jié)構(gòu)底板和墩墻有限元模型俯視圖

1.2 主要計(jì)算參數(shù)

混凝土結(jié)構(gòu)采用泵送混凝土澆筑，使用P42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。樁基結(jié)構(gòu)采用C30混凝土，墊層結(jié)構(gòu)采用C25混凝土，主體結(jié)構(gòu)澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。C25、C30混凝土絕熱溫升參數(shù)分別為

θ(τ)=38(1-e-0.95)

(1)

θ(τ)=51.3(1-e-0.69)

(2)

式中：θ為混凝土絕熱溫升值，℃；τ為混凝土齡期，d。

混凝土其他熱力學(xué)參數(shù)具體如表2所示。

1.3 計(jì)算邊界條件

溫度場(chǎng)仿真計(jì)算中，地基的四周和底面為絕熱邊界，上表面為散熱邊界；結(jié)構(gòu)對(duì)稱面為絕熱邊界；施工臨時(shí)縫面、結(jié)構(gòu)永久縫面當(dāng)未被覆蓋時(shí)為散熱邊界，覆蓋后為絕熱邊界；其他表面均為散熱邊界。應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算中，地基的四周和底面施加法向約束，上表面為自由邊界。結(jié)構(gòu)對(duì)稱面施加法向約束，結(jié)構(gòu)永久縫面為自由邊界。其他表面為自由邊界。

采用的多年月平均氣溫如表3所示。

表2 混凝土熱力學(xué)參數(shù)

表3 當(dāng)?shù)囟嗄暝缕骄鶜鉁?/p>

為了便于計(jì)算，將多年月平均氣溫?cái)M合成一條余弦曲線：

(3)

式(3)中：τ為時(shí)間，月。

2 計(jì)算工況及結(jié)果分析

2.1 計(jì)算工況

2.1.1 夏季澆筑

底板在夏季澆筑，后澆帶在先澆塊溫度降至30 ℃后澆筑。墩墻先澆塊在底板后澆帶降至30 ℃后澆筑，墩墻后澆帶在墩墻先澆塊溫度降至30 ℃后澆筑。澆筑溫度35 ℃。后澆帶間距分別為50、40、30、15、8 m。澆筑間歇期如表4所示。

表4 夏季不同澆筑層的開始澆筑時(shí)間

2.1.2 春秋季澆筑

底板在春秋季澆筑，后澆帶在先澆塊溫度降至25 ℃后澆筑。墩墻先澆塊在底板后澆帶降至25 ℃后澆筑，墩墻后澆帶在墩墻先澆塊溫度降至25 ℃后澆筑。澆筑溫度25 ℃。后澆帶間距分別為50、40、30 m。澆筑間歇期如表5所示。

表5 春秋季不同澆筑層的開始澆筑時(shí)間

2.1.3 冬季澆筑

底板在冬季澆筑，后澆帶在先澆塊溫度降至20 ℃后澆筑。墩墻先澆塊在底板后澆帶降至20 ℃后澆筑，墩墻后澆帶在墩墻先澆塊溫度降至20 ℃后澆筑。澆筑溫度15 ℃。后澆帶間距分別為100(不設(shè))、50、40、30 m。澆筑間歇期如表6所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算分析，得到不同間距后澆帶條件下，倒T形混凝土結(jié)構(gòu)底板和墩墻的最大拉應(yīng)力和最大溫度。其中，結(jié)構(gòu)最高溫度的計(jì)算結(jié)果如表7所示，最大拉應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表6 冬季不同澆筑層的開始澆筑時(shí)間

表7 不同后澆帶間距條件下出現(xiàn)的最高溫度

表8 不同后澆帶間距條件下出現(xiàn)的最高拉應(yīng)力

從計(jì)算結(jié)果可以看出，澆筑時(shí)間及混凝土入倉(cāng)溫度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的最高溫度有顯著影響，而后澆帶的間距對(duì)最高溫度影響不大。

由于地板位于軟土地基上，雖然樁基有一定約束作用，但約束不大，因此不同后澆帶間距條件下，底板內(nèi)部最高拉應(yīng)力總體上隨著后澆帶間距的減少而減小，但變化幅度不大，這很大程度上還是由于間距減小后，后澆帶增多，散熱面增加導(dǎo)致混凝土內(nèi)部最高溫度降低造成的。

墩墻由于下部底板“老”混凝土的強(qiáng)約束，對(duì)后澆帶間距的變化很敏感，總體上隨著后澆帶間距的減少而減小，由于上墩的直接約束，墩下底板的最大應(yīng)力大于其他部分。由于墩被底板強(qiáng)烈約束，因此墩的最大拉應(yīng)力大于底板的拉應(yīng)力。冬季溫度和澆注溫度較低，因此最大拉應(yīng)力最小。同樣，最大拉應(yīng)力在夏季最大，在春季較低。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，采用二次方程擬合不同澆筑季節(jié)根據(jù)墩墻內(nèi)部應(yīng)力與后澆帶間距的關(guān)系曲線，擬合出曲線圖3所示。

x為澆筑塊長(zhǎng)度，m；y為墩墻內(nèi)部應(yīng)力，MPa

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可知，夏季施工時(shí)，倒T形混凝土結(jié)構(gòu)底板最優(yōu)澆筑塊長(zhǎng)度為30 m，墩墻最優(yōu)澆筑塊長(zhǎng)度為8 m；春秋季施工時(shí)，底板最優(yōu)澆筑塊長(zhǎng)度為30 m，閘墩最優(yōu)澆筑塊長(zhǎng)度為30 m；冬季施工時(shí)，底板最優(yōu)澆筑塊長(zhǎng)度為100 m，閘墩最優(yōu)澆筑塊長(zhǎng)度為100 m。需特別說明，最優(yōu)后澆帶間距的選擇標(biāo)準(zhǔn)為：混凝土結(jié)構(gòu)施工期內(nèi)部最大拉應(yīng)力不超過抗拉強(qiáng)度，即施工期最小防裂安全系數(shù)為1.0。需注意的是，該安全系數(shù)條件下，當(dāng)冬季最大拉應(yīng)力發(fā)生時(shí)，施工期結(jié)構(gòu)內(nèi)部無(wú)安全裕度。如此時(shí)遇寒潮停留，或其他未考慮到的不利荷載或約束條件，則拉應(yīng)力仍有可能超過抗拉強(qiáng)度。

通過一次方程擬合倒T形結(jié)構(gòu)塊體的最佳長(zhǎng)度與墩內(nèi)最高溫度之間的關(guān)系如圖4所示。

x是墩墻的最佳澆注長(zhǎng)度，m；y是墩內(nèi)的最高溫度，℃

3 結(jié)論

(1)在長(zhǎng)江中下游平原河網(wǎng)地區(qū)，軟土地基上的倒T形混凝土結(jié)構(gòu)底板，如果上部有墩墻對(duì)其產(chǎn)生約束，在夏季和春秋季澆筑時(shí)后澆帶最優(yōu)間距是30 m；冬季可不設(shè)后澆帶，整體澆筑。

(2)墩墻的最大拉應(yīng)力受底板的約束，最大拉應(yīng)力與最高內(nèi)溫之間存在較明顯的正相關(guān)關(guān)系。為防止墩墻開裂，應(yīng)選擇合理后澆帶的間距。墩墻澆后澆帶設(shè)置的最優(yōu)長(zhǎng)度與墩壁內(nèi)最高溫度的關(guān)系如圖4所示。