航道護(hù)坡拱圈施工溫度約束應(yīng)力分析

夏微 曹洋 江蘇中泰建發(fā)集團(tuán)有限公司

在航道護(hù)岸結(jié)構(gòu)中，為保持護(hù)坡長(zhǎng)期穩(wěn)定，其中的泥土不易被雨水輕易沖刷流走，常使用混凝土連拱護(hù)坡，且在連拱內(nèi)側(cè)的回填土上種植觀賞植物，在其外側(cè)現(xiàn)澆混凝土，而拱圈為預(yù)制構(gòu)件?；谏鲜銮闆r，在拱圈內(nèi)側(cè)有護(hù)坡回填土壓力載荷，在其外側(cè)也有現(xiàn)澆混凝土的受力載荷。在實(shí)際施工中，預(yù)制拱圈最大的病害就是開裂，開裂有宏觀開裂和微觀開裂，而微觀裂縫是指混凝土內(nèi)部各向異性的非均質(zhì)復(fù)合材料，導(dǎo)致混凝土終凝時(shí)水泥石收縮大，但是骨料收縮小產(chǎn)生的黏著裂縫。為保證拱圈的抗裂性，就需要分析其結(jié)構(gòu)剛度及其約束條件。由于混凝土澆筑后在水泥的水化熱作用下，澆筑體在模板的約束下其內(nèi)部溫度急劇上升，此時(shí)混凝土的彈性模量比較小，徐變比較大，溫度升高引起的壓應(yīng)力并不大，但是隨著后期混凝土溫度逐漸降低，彈性模量增大，混凝土徐變變小，在基礎(chǔ)約束作用下混凝土內(nèi)部收縮產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力，有產(chǎn)生裂縫的趨勢(shì)。因此，在工程施工中，應(yīng)高度重視混凝土施工溫度約束應(yīng)力的影響。

1.護(hù)坡拱圈施工溫度場(chǎng)

混凝土施工從流體狀態(tài)到終凝狀態(tài)，包括后期養(yǎng)護(hù)，直到合格構(gòu)件，與許多約束條件有關(guān)，其中溫度場(chǎng)的影響是很重要的因素。施工溫度場(chǎng)是指施工溫度與時(shí)間和空間的函數(shù)，溫度場(chǎng)有瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)之分，而溫度在隨著時(shí)間變化才會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力及其由此產(chǎn)生的裂縫趨勢(shì)。由于混凝土澆筑開始時(shí)呈流體狀態(tài)，存在約束應(yīng)力很小可忽略不計(jì)，如不添加防凍劑等材料，則混凝土在澆筑10小時(shí)后會(huì)達(dá)到終凝狀態(tài)。在水泥的水化熱作用下，混凝土從流體狀態(tài)到終凝狀態(tài)，其內(nèi)部溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力，可用以下方程表示。

式（1）中，t時(shí)刻Tβ? 為混凝土溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力，構(gòu)筑體會(huì)產(chǎn)生一定收縮率，β與外加劑有關(guān)，T? 為任意時(shí)刻混凝土施工溫度與計(jì)算初始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的流體狀混凝土溫度的差值；t時(shí)刻1ε為構(gòu)筑物對(duì)混凝土因約束作用產(chǎn)生的約束綜合應(yīng)變；t時(shí)刻2ε為實(shí)際測(cè)量值。

相比于其他構(gòu)件，預(yù)制拱圈厚度尺寸較小，所以混凝土的模板內(nèi)外溫差可以忽略。由于施工環(huán)境溫度變化的影響，會(huì)引起混凝土收縮率的變化，所以在計(jì)算中可以用收縮率當(dāng)量表示施工溫度場(chǎng)的作用情況。在考慮施工溫度約束條件下，混凝土在任意時(shí)刻的方程式如下式所示。

式（2）中，?y(t)為t時(shí)刻，混凝土的收縮值；為標(biāo)準(zhǔn)工況下混凝土的極限收縮值，一般取值3.24×10-4；b為經(jīng)驗(yàn) 系數(shù)，一般取值0.01；M1M2???Mn表示在非標(biāo)準(zhǔn)工況下的施工環(huán)境因子修正系數(shù)。

根據(jù)公式（2），考慮溫度場(chǎng)與收縮率的相關(guān)性，則混凝土的收縮當(dāng)量溫差之間的關(guān)系如下式所示。

式（3）中，α為混凝土的線膨脹系數(shù)，一般取值10-5/℃。

2.護(hù)坡拱圈施工設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目部秦淮河航道護(hù)坡拱圈使用的混凝土等級(jí)為C25，設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到25 MPa，塌落度140±20 mm，外加劑型號(hào)為SBTJM-10且參量為1.2%，混凝土水膠比為0.61，拱圈施工效果如圖1所示，外側(cè)為現(xiàn)澆混凝土，其伸縮縫為每11.6 m設(shè)置一道，伸縮縫材料為聚乙烯板，拱圈內(nèi)側(cè)回填種植土用來綠化。為便于研究，本文選取典型拱圈圓弧段設(shè)計(jì)截取如圖2所示，為混凝土C25預(yù)制塊，施工中采用鋼模預(yù)制，達(dá)到一定養(yǎng)護(hù)期進(jìn)行拆模，按照施工設(shè)計(jì)要求7d強(qiáng)度達(dá)到25.8 MPa，28d強(qiáng)度要達(dá)到38.7，抗凍抗?jié)B等級(jí)大于等于8。

圖1 拱圈施工效果

圖2 拱圈圓弧段幾何模型

3.拱圈有限元分析模型

航道護(hù)岸混凝土拱圈在施工中，由于鋼模比木模散熱快，混凝土內(nèi)部溫度變形能量釋放與邊緣部分相比，存在散熱不均衡現(xiàn)象，形成施工溫度場(chǎng)對(duì)拱圈預(yù)制塊有開裂風(fēng)險(xiǎn)和剛度降低影響。本文采用ABAQUS有限元分析軟件，研究的拱圈有限元網(wǎng)格模型如圖3所示，該圖模型下底面支撐于回填壓實(shí)土上，其左右側(cè)面連接拱圈相應(yīng)部分，其余面懸空，未配鋼筋。

圖3 有限元網(wǎng)格模型

4.拱圈施工溫度應(yīng)力分析

在運(yùn)用有限元計(jì)算中，對(duì)拱圈混凝土施工模擬降溫過程，隨著拱圈高度的增加，拱圈鋼模和夯實(shí)土層面對(duì)混凝土的約束條件下散熱緩慢變化，當(dāng)混凝土拱圈由于降溫作用而產(chǎn)生變形，并且由于鋼模和夯實(shí)土層的約束作用，而不會(huì)讓混凝土自由變化時(shí)，則會(huì)在拱圈內(nèi)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，進(jìn)一步的當(dāng)其溫度應(yīng)力大于混凝土的齡期抗拉強(qiáng)度的情況下，拱圈就會(huì)產(chǎn)生微觀裂紋進(jìn)而導(dǎo)致明顯開裂風(fēng)險(xiǎn)。

在運(yùn)用ABAQUS有限元分析中，選用與拱圈混凝土材料為Concrete Damaged Plasticity，設(shè)置邊界最大應(yīng)力為7d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度為1.44 MPa。在溫度場(chǎng)影響下的有限元計(jì)算后的應(yīng)力云圖，如圖4所示，其中圖4a為拱圈模塊的總應(yīng)力圖、圖4b為拱圈模塊的第一主應(yīng)力云圖、圖4c為拱圈模塊的第三主應(yīng)力云圖。從圖4a中可以看出，隨著溫度降低過程，在靠近夯實(shí)土層面的混凝土應(yīng)力大于頂部，且由于在夯實(shí)土層的約束下，達(dá)到抗拉強(qiáng)度。當(dāng)隨著拱圈混凝土澆筑不斷增高時(shí)，從圖4c中可以看到，拱圈混凝土受到模板約束的剛度不斷增大，而且拱圈中的溫度應(yīng)力整體升高。從圖4b中可看出，拱圈的頂部和底部的角應(yīng)力分布規(guī)律與圖a比較，已發(fā)生明顯變化，即角應(yīng)力區(qū)域有增大的趨勢(shì)，達(dá)到齡期混凝土抗拉強(qiáng)度的區(qū)域在增多。這也印證了在大量工程實(shí)例中，如文獻(xiàn)所表述出現(xiàn)的板角溫度裂縫多為 45°貫穿斜裂縫，以及沿板邊出現(xiàn)且平行于長(zhǎng)邊的裂縫。

圖4 溫度場(chǎng)影響下的應(yīng)力云圖

為了進(jìn)一步分析模型在拱圈高度改變的條件下，文中所選擇的拱圈高度參數(shù)來源于秦淮河航道施工圖要求，研究鋼模預(yù)制拱圈的溫度應(yīng)力伴隨拱圈設(shè)計(jì)高度的分布規(guī)律，以期在今后的施工工藝中加以改進(jìn)。結(jié)合圖4b拱圈模型的第一主應(yīng)力云圖，對(duì)于模型角第一主應(yīng)力進(jìn)行增長(zhǎng)記錄得到圖5所示，為拱圈模型角頂和角底應(yīng)力達(dá)到齡期素性混凝土抗拉強(qiáng)度。這在實(shí)際施工中，如不采取防范措施，很容易出現(xiàn)貫穿性裂縫風(fēng)險(xiǎn)。從圖6中可以看出，在施工溫度場(chǎng)影響下，第一主應(yīng)力隨著模型圓弧長(zhǎng)的增加，有減少的趨勢(shì)，但是在接近終端時(shí)，應(yīng)力有增大的變化，與最小值比較增加了7%，但是總體上應(yīng)力變化呈現(xiàn)“浴盆曲線”狀態(tài)。

圖5 模型頂面應(yīng)力曲線

圖6 模型底面應(yīng)力曲線

5.溫度場(chǎng)應(yīng)力分析數(shù)據(jù)在施工中的應(yīng)用

由于施工時(shí)除了溫度場(chǎng)作用以外，還有滲流場(chǎng)、構(gòu)件本身收縮引起的結(jié)構(gòu)場(chǎng)等多場(chǎng)耦合作用，但是在模板約束下的混凝土溫度場(chǎng)引起的裂縫，對(duì)于拱圈混凝土預(yù)制構(gòu)件來說，其影響是最大的。該模型有限元分析數(shù)據(jù)，在秦淮河航道治理護(hù)坡分項(xiàng)工程中，得到充分運(yùn)用，減少了拱圈齡期裂縫，從而提高了拱圈合格率。此外，該研究成果數(shù)據(jù)，除了在澆筑拱圈構(gòu)件得到應(yīng)用，還應(yīng)用到護(hù)坡格埂澆筑，格埂是用來定位護(hù)坡高程、護(hù)坡角度，格埂又分為素砼格埂和鋼筋砼格埂，其澆筑施工工藝控制與拱圈澆筑相同，所以本文施工溫度場(chǎng)對(duì)拱圈混凝土約束應(yīng)力規(guī)律對(duì)格埂施工具有借鑒作用。

對(duì)于航道護(hù)坡的縱向格埂澆筑施工來說，相當(dāng)于超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行分塊澆筑，通常會(huì)有先澆筑塊體和后澆筑塊體之分。先澆筑的縱向格埂混凝土塊體只受到底部一個(gè)接觸面的約束，且底部為回填土分層夯實(shí)，所以混凝土自由變形釋放能量最大，用該文有限元施工溫度場(chǎng)分析數(shù)據(jù)作為支撐，但是隨后澆筑的縱向格埂后澆塊塊體受到除了底部接觸面的約束外，還應(yīng)考慮先澆塊體混凝土側(cè)面的約束影響。吳偉[5]結(jié)合理論分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線分析，得到后澆塊的峰值位置位于相鄰界面與塊體中心位置之間，但是當(dāng)間歇時(shí)間很短，后澆塊峰值位置位于相鄰界面；此外，當(dāng)施工間歇時(shí)間較長(zhǎng)，后澆塊收縮應(yīng)力峰值位于塊體中心。因此，限于本文所研究的對(duì)象的選擇，以期未來將加強(qiáng)航道護(hù)坡混凝土構(gòu)件的有限元分析如格埂、踏步坡道、堤頂U(kuò)型槽等與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析對(duì)比研究。

6.結(jié)論

航道整治施工公里數(shù)長(zhǎng)，其中護(hù)岸結(jié)構(gòu)施工是一項(xiàng)非常重要的分項(xiàng)工程。為強(qiáng)化構(gòu)件施工質(zhì)量，對(duì)于護(hù)岸中的拱圈施工，本文采用有限元分析方法獲得了拱圈混凝土成形溫度應(yīng)力對(duì)拱圈高度的影響數(shù)據(jù)，以供本項(xiàng)目部后期拱圈施工時(shí)運(yùn)用。本文通過對(duì)護(hù)岸拱圈混凝土成形溫度應(yīng)力的研究，得到如下結(jié)論。

（1）隨著拱圈高度的增加，成形混凝土溫度第一主應(yīng)力也隨之增長(zhǎng)。

（2）成形混凝土溫度第一主應(yīng)力隨著成形增加長(zhǎng)度值，第一主應(yīng)力有降低的趨勢(shì)，但臨近成形長(zhǎng)度施工終端時(shí)，有升高的發(fā)展方向。

（3）由于拱圈模型底部存在回填土夯實(shí)層的約束，成形混凝土溫度第一主應(yīng)力有增大的發(fā)展趨勢(shì)。

綜上所述，通過對(duì)拱圈混凝土成形的溫度應(yīng)力分析，在后期對(duì)拱圈施工中既要采用預(yù)防明顯裂縫工藝措施，更要采取防止構(gòu)件內(nèi)部的微觀裂紋而科學(xué)施工。