高強度混凝土渡槽夏季施工防裂措施研究

張 楊，鄔愛清，何 磊

（1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州 225009；2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；3.西南電力設計院，成都 610021）

高強度混凝土渡槽夏季施工防裂措施研究

張 楊1，鄔愛清2，何 磊3

（1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州 225009；2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；3.西南電力設計院，成都 610021）

高強度混凝土渡槽結(jié)構(gòu)承載能力高，但水化放熱量也大，在夏季澆筑時混凝土溫控防裂難度較大。采用非穩(wěn)定溫度場及應力場的有限元計算方法，對夏季施工的典型渡槽結(jié)構(gòu)進行了施工過程的仿真計算。根據(jù)不同工況的溫度場和應力場計算結(jié)果，分析了易裂部位的開裂原因，提出了相應的水管冷卻和表面保溫措施，可為類似高強度混凝土結(jié)構(gòu)的設計和施工提供有益的參考。

渡槽；高強度混凝土；溫控防裂；有限元

1 研究意義與目的

迄今為止，國內(nèi)大部分薄壁結(jié)構(gòu)的水利工程在施工期都會出現(xiàn)或多或少的混凝土裂縫：表層裂縫或貫穿裂縫。前者影響建筑物的美觀和使用壽命，后者若出現(xiàn)在關(guān)鍵部位［1，2］則會危及到建筑物的安全。深入探究，此類工程長期受到混凝土開裂問題困擾的原因，在于混凝土裂縫成因和抗裂技術(shù)始終沒有很好地被工程界所認識和掌握。目前在建工程中有很多薄壁結(jié)構(gòu)，且相當一部分采用高強度混凝土，雖然強度較高，但因為水泥用量大，水化發(fā)熱量也明顯大于一般的薄壁類結(jié)構(gòu)，再加上常常在高溫季節(jié)施工，其施工期的溫度裂縫控制問題比一般混凝土結(jié)構(gòu)更加麻煩［3，4］。因此，對工程中的薄壁結(jié)構(gòu)應加強質(zhì)量控制，做好溫控防裂工作，確保工程的建設質(zhì)量、安全性和使用壽命。

本文基于非穩(wěn)定溫度場和應力場計算的有限元方法，對某高強度混凝土渡槽的夏季施工過程進行了仿真計算，分析計算結(jié)果，探索開裂機理，提出了施工期技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的防裂措施，并收到了較好的效果。

2 計算方法

采用非穩(wěn)定溫度場和應力場有限元計算方法，對高強度混凝土結(jié)構(gòu)進行施工過程模擬。仿真計算中考慮的主要影響因素有：混凝土自生體積變形、徐變變形、溫度變形、混凝土自重、結(jié)構(gòu)施工分層、澆筑層間歇、施工順序、施工時段、氣溫（年溫度變化、月溫度變化以及晝夜溫度變化）、寒潮冷擊、風速、表面保溫措施、內(nèi)部水管冷卻降溫措施、模板種類、拆模時間等等。

3 渡槽結(jié)構(gòu)的基本資料

3.1 氣溫資料

渡槽所在地屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，多年各月平均氣溫在仿真計算時擬合為

式中t為月份。

3.2 混凝土熱力學參數(shù)

槽身采用C50W6F200高性能混凝土，其主要熱學參數(shù)如表1。

表1 混凝土熱學性能試驗結(jié)果（試件養(yǎng)護28 d）Table 1 Thermal parameters of the concrete

根據(jù)試驗絕熱溫升數(shù)據(jù)，初始計算絕熱溫升的表達式為

渡槽施工中使用鋼模板，保溫材料用塑料泡沫板和土工膜。塑料泡沫板用于外貼在鋼模板的外表面，土工膜用于鋪蓋在澆筑倉面，其熱學參數(shù)可以通過試驗和反演獲得［5］。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合C50W6F200混凝土的抗拉強度，擬合公式為本文中的允許抗拉強度是抗拉強度除以1.65的安全系數(shù)。

混凝土自生體積變形為

3.3 混凝土澆筑方案

渡槽整體結(jié)構(gòu)混凝土的施工進度安排如圖1所示，共分為2個澆筑層。第一層混凝土為底板連同倒角以上0.2 m一塊澆筑，其上為第二層。

圖1 槽身混凝土分兩層澆筑的施工計劃Fig.1 Schedule of pouring concrete in two layers of the aqueduct

4 計算模型及特征點布置

4.1 計算模型

槽身段長120 m，槽身結(jié)構(gòu)形式為跨度30 m的預應力雙孔矩形槽，兩端簡支，槽身共2孔，每孔凈寬6.0 m，側(cè)墻凈高4.6 m。槽身橫向加肋，頂部設拉桿，中心間距為2.45 m。仿真計算以一跨30 m的槽身為研究對象，計算模型如圖2所示。計算中直角坐標系定為：坐標原點選在渡槽中墩的對稱面上，x軸為沿渡槽水流方向，y軸為垂直于水流方向，z軸為垂直向上。x＝15.0 m處為x方向的中間面，y＝0.0 m處為y方向的對稱面。

圖2 仿真計算有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite elementmesh for the simulation

4.2 水管及特征點布置

考慮到渡槽主梁的結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，在每根主梁內(nèi)沿縱向埋設2排冷卻水管，水管布置如圖3所示。

圖3 主梁水管布置Fig.3 Layout of pipes in themain girder

工況計算分析中涉及的各特征點在計算模型中的具體位置如圖4所示。

圖4 槽身特征點布置Fig.4 Layout of typical points on the aqueduct body

其中特征點1，2為底板的中心點和表面點，特征點3，4為槽身混凝土結(jié)構(gòu)尺寸最大的主梁的中心點和表面點，特征點5－10為槽身中墻上3個不同高程的中心點和表面點；特征點11，12為頂板中心點和表面點。

5 計算工況與結(jié)果分析

在渡槽結(jié)構(gòu)中，混凝土的應力狀態(tài)是眾多影響因素共同作用的結(jié)果，但溫控防裂的關(guān)鍵在于施工期各部位混凝土的應力分布情況及所承受的最大拉應力的大小。本文提供了2個典型計算工況，并給出具體分析（計算結(jié)果中以第一主應力σ1來分析）。

工況1的計算條件：按照施工計劃，混凝土開始澆筑時間為7月1日。施工現(xiàn)場采用鋼模板，側(cè)模7 d拆模，槽身承重模板和支架按規(guī)范要求，約30 d拆摸。澆筑溫度在日均氣溫的基礎上加5℃，混凝土剛澆筑3 d內(nèi)考慮±7.5℃的晝夜溫差。

工況2的計算條件：在工況1的基礎上，每根主梁內(nèi)部埋設2根鐵質(zhì)水管，混凝土澆筑后通20.0℃的冷卻水對主梁內(nèi)部進行導熱降溫，通水時間為3 d。第二層混凝土施工完后，在倉面覆蓋一層土工膜進行保溫，保溫時間為5 d。

5.1 工況1溫度場與應力場計算結(jié)果分析

由于在夏季施工，環(huán)境溫度高，混凝土的澆筑溫度高且相對其它季節(jié)散熱慢。由圖5可見：主梁中心特征點3在澆筑完畢后2 d，溫度達峰值73.41℃；特征點4位于主梁表面，澆筑完畢1.75 d，溫度達峰值56.2℃。主梁的最大內(nèi)外溫差發(fā)生在混凝土澆筑后2.25 d，為33.74℃，這樣大的內(nèi)外溫差很容易導致早期混凝土表面開裂。

圖5 工況1特征點3，4的溫度歷時曲線Fig.5 Time-history curves of temperature at point 3 and 4 in case 1

第二層混凝土的澆筑時間為7月下旬，澆筑溫度比第一層要相對低一些。墻體中間高程中心點和表面點在混凝土澆筑后1.75 d，溫度分別達峰值，分別為53.97℃，43.30℃。由圖6可以看出，頂板中心特征點11在混凝土澆筑后1.75 d溫度達峰值，為54.82℃，由于晝夜溫差的影響，最大內(nèi)外溫差發(fā)生在混凝土澆筑后1.5 d，為13.55℃。

圖6 工況1特征點11，12的溫度歷時曲線Fig.6 Time-history curves of temperature at point 11 and 12 in case 1

從第一層混凝土典型點的應力歷時曲線來看，由于仿真計算中考慮了±7.5℃晝夜溫差的作用，底板表面特征點2在第一層混凝土澆筑后1.5 d拉應力達1.36 MPa，比當時的允許抗拉強度超出了0.2 MPa，但小于混凝土材料的抗拉強度，有可能會出現(xiàn)早期的表面裂縫，在施工中應采取適當?shù)臏乜卮胧Ｖ髁翰课辉缙诘膬?nèi)外溫差最大，因此在混凝土澆筑后的2.25 d，八字形倒角部位的特征點4的拉應力達2.68 MPa（見圖7），超出了當時的抗拉強度0.38 MPa，該部位很可能出現(xiàn)早期表面裂縫。主梁內(nèi)部特征點3在混凝土澆筑后的溫升階段受壓，最大壓應力達－1.18 MPa，此后隨著混凝土齡期的增加，壓應力逐漸轉(zhuǎn)化為拉應力，同樣由于加層后受上層混凝土熱脹的影響，約在齡期22 d時出現(xiàn)最大拉應力3.56 MPa（見圖7），比當時的允許抗拉強度大1.1 MPa。此后，混凝土溫度趨于穩(wěn)定，拉應力也穩(wěn)定在2.0 MPa左右。

圖7 工況1特征點3，4的應力歷時曲線Fig.7 Time-history curves of stress at point 3 and 4 in case 1

第二層混凝土各特征點的應力大小和變化規(guī)律相似，早期中墻表面特征點8在混凝土澆筑后1.5 d應力達最大值，為1.15 MPa，小于當時允許抗拉強度，頂板表面特征點12在混凝土澆筑后1.5 d應力達最大，為1.30 MPa（見圖8），比當時的允許抗拉強度大0.14 MPa。后期墻體混凝土內(nèi)部的拉應力最大值發(fā)生在混凝土澆筑后6 d，達1.78 MPa，小于當時允許抗拉強度，頂板內(nèi)部特征點11在后期的最大拉應力為1.93 MPa（見圖8），也小于當時混凝土的允許抗拉強度。

圖8 工況1特征點11，12的應力歷時曲線Fig.8 Time-history curves of stress at point 11 and 12 in case 1

由以上分析可以看出：夏季澆筑若不采取任何溫控措施，在主梁、墻體、頂板內(nèi)部混凝土溫度都很高，從而形成較大的內(nèi)外溫差和溫降幅度，混凝土很容易出現(xiàn)裂縫。

5.2 工況2溫度場計算結(jié)果分析

由圖9可以看出：預埋水管通水冷卻后，主梁內(nèi)部混凝土的溫度峰值大大降低，如主梁中心特征點3的溫度由工況1中的73.41℃，降為39.30℃，消峰幅度為34.11℃。這一結(jié)果表明鐵管具有很好的導熱降溫效果，大大降低了混凝土內(nèi)部最高溫度、早期的內(nèi)外溫差及后期的溫降幅度，使得溫度達峰值的時間提前了0.5 d（澆筑后1.5 d溫度達峰值，）。通水3 d結(jié)束后，特征點3溫度降至24.31℃，由于此時表面混凝土和外界氣溫的溫度（約27.0℃）都高于該點的溫度，所以通水結(jié)束后，溫度回升2.0℃左右，說明對主梁通水3d的時間是比較恰當?shù)摹?/p>

圖9 工況2特征點3，4的溫度歷時曲線Fig.9 Time-history curves of temperature at point 3 and 4 in case 2

由于頂板表面覆蓋了一層土工膜，因此，頂板中心特征點11的最高溫度較工況1有所上升。第二層混凝土澆筑后1.75 d到達峰值57.49℃（見圖10），比工況1上升了2.59℃。

圖10 工況2特征點11，12的溫度歷時曲線Fig.10 Time-history curves of temperature at point 11 and 12 in case 2

5.3 工況2應力場計算結(jié)果分析

由于冷卻水管的作用，主梁早期內(nèi)外溫差較小。與此相對應，由圖11可以看出，八字形倒角處的特征點4在混凝土澆筑后的1.25 d拉應力達最大值，為0.97 MPa，略小于當時混凝土的允許抗拉強度，和工況1相比，該點的應力大大減小。隨著通水的繼續(xù)，1.5 d以后混凝土內(nèi)外溫度都開始下降，但內(nèi)部混凝土的溫降速度要快于表面混凝土，因此表面拉應力開始減小并逐漸轉(zhuǎn)化為壓應力，內(nèi)部混凝土開始呈拉應力。此后，混凝土溫度回升至環(huán)境溫度，拉應力和壓應力都減小，并保持平穩(wěn)狀態(tài)。

圖11 工況2特征點3，4的應力歷時曲線Fig.11 Time-history curves of stress at point 3 and 4 in case 2

布置在主梁內(nèi)部的冷卻水管對底板的早期應力也產(chǎn)生一定的影響。底板表面特征點2早期的最大拉應力為0.80 MPa，小于當時混凝土的允許抗拉強度1.06 MPa，比工況1減小了0.42 MPa；內(nèi)部特征點1的最大拉應力為2.13 MPa，小于當時混凝土的允許抗拉強度2.45 MPa。由于第二層混凝土澆筑后在頂板表面覆蓋一層土工膜進行保溫，使得早期混凝土的內(nèi)外溫差減小，因此早期頂板表面特征點12的應力最大為1.14 MPa，略小于當時的抗拉強度。由于保溫作用使得內(nèi)部11號特征點的后期最大拉應力為2.10 MPa，比工況1大0.17 MPa，但仍小于當時的允許抗拉強度（見圖12）。

圖12 工況2特征點11，12的應力歷時曲線Fig.12 Time-history curves of stress at point 11 and 12 in case 2

通過以上分析，可得出以下結(jié)論：在主梁內(nèi)部埋設冷卻水管和在頂板澆筑倉面覆蓋一層土工膜保溫后，早期和后期應力狀態(tài)得到顯著的改善；由于晝夜溫差的影響，墻體表面的早期拉應力和相應齡期的允許抗拉強度很接近，同樣需要注意混凝土早期的養(yǎng)護工作。

6 結(jié)論與建議

對夏季施工的高性能混凝土渡槽，通過三維非穩(wěn)定溫度場與應力場的仿真計算及結(jié)果分析，可得出以下結(jié)論：

（1）夏季施工若不采取任何溫控措施，高強度渡槽結(jié)構(gòu)主梁內(nèi)部最高溫度達73.0℃，墻體內(nèi)部最高溫度達53.0℃，頂板中心達54.0℃，尤為不利的是主梁的最大內(nèi)外溫差高達33.0℃。施工期混凝土極易開裂。

（2）在主梁內(nèi)部埋設2根鐵質(zhì)冷卻水管，混凝土澆筑后立即通20.0℃的冷卻水，冷卻時間為3 d，每0.5 d換向一次，同時在頂板上表面覆蓋一層土工膜保溫。采取上述措施后，主梁內(nèi)部溫度峰值大大降低，為39.0℃，削峰效果明顯，且應力計算結(jié)果表明：底板、主梁、頂板的早期和后期應力均控制在安全的范圍內(nèi)。

（3）從本工程的計算結(jié)果來看，渡槽工程混凝土的早期開裂主要是由于混凝土早期內(nèi)外溫差太大所致，后期開裂主要是由于混凝土溫降收縮和自生體積收縮共同作用所致。

［1］ 馬躍峰，朱岳明，曹為民，等.閘墩內(nèi)部水管冷卻和表面保溫措施的抗裂作用研究［J］.水利學報，2006，37（8）：963－968.（MA Yue-feng，ZHU Yue-ming，CAO Wei-min，et al.Effect of Internal Cooling Pipes and External Heat Preservation on Prevention from Concrete Cracking During Construction of Sluice Pier［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2006，37（8）：963－968.（in Chinese））

［2］ 傅曉松.恰克拉克跨河渡槽側(cè)墻混凝土產(chǎn)生裂縫的原因及處理辦法［J］.水利科技與經(jīng)濟，2009，15（4）：362－363.（FU Xiao-song.Cause and Treatment Method of Cracking in Side Wall of the Qiakelake River-crossing Aqueduct［J］.Water Conservancy Science and Technology and Economy，2009，15（4）：362－363.（in Chinese））

［3］ 何 磊，朱岳明.水管冷卻技術(shù)在高性能混凝土渡槽工程中的應用［J］.水電能源科學，2007，25（4）：97－100.（HE Lei，ZHU Yue-ming.Application of Pipe Cooling to Launder Project with High-performance Concrete During Construction［J］.Water Resources and Power，2007，25（4）：97－100.（in Chinese））

［4］ 朱岳明，徐之青，賀金仁，等.混凝土水管冷卻溫度場的計算方法［J］.長江科學院院報，2003，20（2）：19－22.（ZHU Yue-ming，XU Zhi-qing，HE Jin-ren，etal.A Calculation Method for Solving Temperature Field of Mass Concrete with Cooling Pipes［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，20（2）：19－22.（in Chinese））

［5］ 強 晟，朱岳明，許 樸，等.南水北調(diào)高性能混凝土溫度邊界條件的試驗研究［J］.三峽大學學報，2008，30（3）：10－12.（QIANG Sheng，ZHU Yue-ming，XU Pu，et al.Experimental Study of Temperature Boundary Condition of High Performance Concrete for South-North Water Transfer Project［J］.Journal of China Three Gorges University（Natural Sciences），2008，30（3）：10－ 12.（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

Crack Prevention M easures for High Strength Concrete Aqueduct Constructed in Summer

ZHANG Yang1，WU Ai-qing2，HE Lei3
（1.School of Hydraulic Science and Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225009，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3.Southwest Electric Power Design Institute，Chengdu 610021，China）

In spite of high carrying capacity，it involves great difficulty to control the temperature and prevent cracking during the construction of high strength concrete aqueduct in summer because of high heat of hydration.The finite elementmethod for unsteady temperature field and stress field is applied to simulate the construction process in summer for a typical aqueduct structure.The cause of cracking at dangerous positions is analyzed based on the calculation results of temperature field and stress field in different cases.Corresponding measures of pipe cooling and surface thermal insulation are put forward，which will be beneficial for the design and construction of such high strength concrete structure.

aqueduct；high strength concrete；temperature control and crack prevention；finite elementmethod

TV315

：A

1001－5485（2011）09－0048－05

2011-03-18

張 楊（1979-），女，湖北襄陽人，博士，講師，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程和巖土工程方面的教學與研究工作，（電話）13913007408（電子信箱）wwwzhangy＠163.com。