水工建筑物墩墻溫度應力分析與抗裂暗梁的設計研究

楊俊敬，康立榮，朱慶華

(江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225009)

0 引言

水閘、泵站和船閘為常見水工建筑物，其墩墻底部在溫度應力及底板約束應力作用下，易出現貫穿性裂縫。特別在施工中廣泛采用泵送混凝土施工工藝后，防裂問題變得更加棘手和突出［1－2］。目前，有關混凝土抗裂的研究和措施相當多，但普遍著重于施工工藝方面［3－5］，比如混凝土的施工配合比、施工分層方法等。施工中雖然采取了一些抗裂措施，墩墻仍出現一定數量的貫穿性裂縫，一些墩墻的配筋率雖然達到甚至超過了規范的要求，還仍有裂縫發生［6－8］，說明僅靠優化施工工藝和適當增加配筋率并不能控制墩墻裂縫，必須對抗裂設計構造采取有效措施，才能避免有害裂縫的出現，從而確保工程質量。

借鑒工業與民用建筑設計中的暗梁布置理念［9－11］，結合南水北調某工程船閘、節制閘的設計與施工建設，提出了墩墻配置暗梁抗裂的設計方案，對墩墻抗裂設計的必要性、抗裂暗梁設計方法進行了探討，工程實施效果表明，該設計方法效果良好。

1 墩墻溫度應力計算

墩墻裂縫的成因，主要是混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，引起墩墻內、外產生較大溫差，由于受到基礎或老混凝土的約束，混凝土內部出現較大的拉應力，當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現裂縫。水利或水運鋼筋混凝土設計規范雖然允許結構按所處環境條件存在一定寬度的裂縫，但在施工中應盡量采取有效措施來控制裂縫產生，使結構盡可能不出現裂縫或盡量減少裂縫的數量和寬度，尤其要盡量避免有害裂縫的出現，從而確保工程質量。

在目前水利與水運鋼筋混凝土結構設計規范中，分別編制了混凝土溫度應力計算方法，2種規范的規定要求不完全一致。現以南水北調某工程船閘導航墻為實例進行計算，該節墩墻長22.0 m，高10.0 m，厚0.7 m，混凝土強度等級為C25，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，混凝土水泥用量為271 kg/m3。根據工程經驗，計算部位取距底板1/5墻高，該部位容易出現裂縫。

1.1 水運規范計算方法

根據JTJ 252—1987《干船塢設計規范(水工結構)》［12］，澆筑于下層混凝土塊體上的被約束混凝土塊體，可按下式近似計算其x向中斷面較大約束應力部位的約束應力

式中:α為混凝土線膨脹系數，α=1×10－5;μ為泊松比，μ=1/6;i為下層混凝土塊體平均溫度變化值;Δtx為被約束混凝土塊在所求點高度處的平均溫度變化值;E為彈性模量;R為約束系數。

按一定齡期內混凝土水化熱絕熱溫升的平均值計算

式中:th為水化熱絕熱溫升，℃;W為混凝土中的水泥用量，W=271 kg/m3;Q0是水泥最終發熱量，對于P.O 42.5水泥，3d齡期Q0=256kJ/kg，7d齡期Q0=299kJ/kg;ch為混凝土的比熱容，ch=960J/(kg·K);ρ為混凝土質量密度，取2350kg/m3。

約束系數

式中:R'為形位參數;A0，E0分別為下部混凝土塊體的截面積和彈性模量;A，E為被約束塊體的截面積和彈性模量。E可根據齡期計算

式中:EC(28)為混凝土28 d彈性模量，強度等級為C28的混凝土彈性模量，EC(28)=2.8×104MPa;t為澆筑后的時間，d。

式(3)中的R'根據被約束塊體的長高比和計算部位的相對高度進行確定，查JTJ 252—1987《干船塢設計規范(水工結構)》，查得R'=0.65。

混凝土溫度應力應滿足下式規定

式中:Kf為安全系數，取Kf=1.4。混凝土在齡期t時的抗裂設計強度Rf(t)估算

式中:ΔR為常數，對于強度等級C25的混凝土，取ΔR=0。

1.2 水利規范計算方法

SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》［13］規定，大體積混凝土結構在溫度作用下的抗裂驗算應滿足以下要求:

式中:σ*(t)為計算時刻t時的溫度應力;t為計算時刻的混凝土齡期;εε(t)為計算時刻t時的混凝土允許拉力應變;εε(28)為28 d齡期混凝土的拉應變，對強度等級為C25的混凝土取0.6×10－4;Ec(t)為計算時刻t時的混凝土彈性模量，按式(4)計算。

1.3 計算結果分析

3d，7d齡期下墩墻混凝土的溫度約束應力計算結果見表1，計算結果表明，澆筑初期的墩墻混凝土溫度應力大于水運或水利規范允許抗裂應力，在拆模之前墩墻內部混凝土就可能產生貫穿性裂縫，在工程設計時，應考慮有效措施控制貫穿性裂縫產生。

2 抗裂暗梁設計

近年來已有一些工程嘗試在易產生裂縫的墩墻部位設置抗裂暗梁，用以控制溫度應力產生的裂縫［14－15］。鋼筋與混凝土的黏結作用按28 d齡期強度進行計算，而混凝土初期強度不斷變化，暗梁的作用機制目前尚無成熟的計算公式，抗裂暗梁配置也無規范或規程要求，水工設計中的應用尚不多見。

南水北調工程某水閘、船閘墩墻均按常規設計，盡管采取了一系列抗裂施工工藝措施，但第1階段施工的船閘閘室墻和部分翼墻、導航墻，墩墻仍然出現了少量貫穿性裂縫，裂縫一般出現在距底板1/5墻高位置，說明由溫度應力引起的裂縫僅靠施工措施是很難避免的，還應從設計上采取措施。鑒于此，對第2階段施工的其他建筑物，在加強抗裂施工措施的同時，增加了墩墻抗裂暗梁設計。

根據墩墻溫度應力計算結果和對第1階段的施工總結，在距底板1/5墻高結合立模對銷螺栓布置暗梁，暗梁構造參考其他工程經驗，依墩墻厚度配置4根或6根鋼筋，分上、下2層，布置在墩墻中間1/2墻厚范圍。該工程典型墩墻抗裂暗梁的設計主要有:

(1)船閘導航墻和節制閘翼墻，長度15～25 m，高度10 m，厚度60 cm，在距底板2 m高的墩墻中心配置4根? 22 mm鋼筋，鋼筋水平間距30 cm，豎向間距60 cm。

(2)節制閘中墩，長度20m，高度10m，厚度130 cm，在距底板2 m高的墩墻中心配置6根? 22 mm鋼筋，鋼筋水平間距2行35 cm，豎向間距60 cm。

(3)節制閘縫墩，長度20 m，高度10 m，厚度90 cm，在距底板2 m高的墩墻中心配置6根? 22 mm鋼筋，鋼筋水平間距2行25 cm，豎向間距60 cm。

3 暗梁抗裂效果分析

表1 各齡期下墩墻混凝土的溫度約束應力計算結果

該工程主體建筑物施工結束后，不同構造、不同季節澆筑的墩墻裂縫情況的統計分析結果見表2。

從表2可以看出，即便是在氣溫適中的春、秋季澆筑墩墻，通過單一的施工工藝措施也難以完全控制裂縫的產生。墩墻采用抗裂暗梁后，無論是在什么季節澆筑，抗裂效果都比較明顯，說明抗裂暗梁達到了預期的設計效果，墩墻抗裂暗梁布置與構造設計比較合適。

表2 南水北調某工程墩墻暗梁抗裂效果對比

4 結論

墩墻與底板混凝土澆筑存在一定的施工間隔，在混凝土初期，墩墻與底板混凝土彈性模量不一致，底板對澆筑初期的墩墻存在約束作用。墩墻溫度應力計算和現場觀測結果表明，墩墻內部混凝土初期溫度應力會超過允許應力，存在從內部產生裂縫的可能，僅靠單一的施工工藝措施難以避免墩墻出現裂縫。合理配置墩墻抗裂暗梁，可有效控制混凝土裂縫尤其是貫穿性裂縫的發生，是一種作用比較明顯的抗裂設計措施。暗梁宜在距底板1/5墻高左右結合立模對銷螺栓進行布置，依墩墻厚度配置4根或6根鋼筋，分上、下2層，布置在墩墻中間1/2厚度范圍內。

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