邱家湖進(jìn)退洪閘混凝土施工的溫度控制與徐變應(yīng)力分析

陳 寶

邱家湖進(jìn)退洪閘混凝土施工的溫度控制與徐變應(yīng)力分析

陳 寶

一、工程背景

邱家湖蓄洪區(qū)位于安徽省潁上縣，進(jìn)退洪閘位于上口門向東約2.5km附近，采用潛孔式水閘型式，設(shè)計(jì)流量為1000m3/s，為Ⅱ等大（2）型水閘。邱家湖進(jìn)退洪閘共7孔，單孔凈寬為10m，總凈寬70m。水閘底檻高程為19.5m，閘頂高程29m，閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)17m，中墩厚1.3m，邊墩厚1.2m，閘室總寬度為80.2m。閘室底板為分離式底板型式，大、小底板均厚1.4m。

二、混凝土溫控計(jì)算目的

對(duì)于水閘工程來(lái)說(shuō)，大部分裂縫是因溫控不當(dāng)而產(chǎn)生的溫度裂縫，修建在土基上的水閘，其墩墻較底板更容易產(chǎn)生裂縫。墩墻裂縫的特點(diǎn)是“上不著頂，下不著底”“中間寬、兩頭尖”的“棗核形”裂縫。所以必須要對(duì)溫度裂縫引起足夠的重視。

為了清楚地了解閘底板和墩墻混凝土的溫度特性及溫度應(yīng)力，結(jié)合邱家湖進(jìn)退洪閘工程，通過(guò)建立三維有限元模型，進(jìn)行溫度場(chǎng)和徐變應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算，然后綜合混凝土裂縫產(chǎn)生機(jī)理和影響因素、溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分析成果，提出適合的水閘底板和墩墻的混凝土施工溫控措施及防裂設(shè)計(jì)。

三、計(jì)算仿真處理及計(jì)算工況

計(jì)算仿真過(guò)程就是對(duì)混凝土施工過(guò)程、外界條件及其材料性質(zhì)的變化等因素進(jìn)行較為精確細(xì)致的模擬計(jì)算，以得到與實(shí)際相符合的解。通過(guò)建立水閘的閘底板—墩墻—地基系統(tǒng)三維有限元模型，對(duì)底板、墩墻的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，研究減小底板、墩墻的基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差的措施?；谏鲜龇抡娣治鼋Y(jié)果，進(jìn)行底板—墩墻徐變應(yīng)力場(chǎng)仿真分析，進(jìn)一步驗(yàn)證、確定合理的溫控措施。

根據(jù)邱家湖進(jìn)退洪閘工程需求及實(shí)際混凝土澆筑采用的溫控措施，分析了如下工況：

工況1：常態(tài)混凝土，采用竹膠模板，仿真分析底板—墩墻溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

工況2：泵送混凝土，采用竹膠模板，仿真分析底板—墩墻溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

工況3：泵送混凝土，采用竹膠模板，內(nèi)貼2.5cm塑料保溫板，仿真分析底板—墩墻溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

工況4：泵送混凝土，采用竹膠模板，內(nèi)貼2.5cm塑料保溫板，通冷卻水（18℃），仿真分析底板—墩墻溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

四、計(jì)算模型

計(jì)算模型底板厚1.4m，墩墻長(zhǎng)15.5m，墩墻厚 1.2m，高 8.5m，計(jì)算采用地基—底板—墩墻三維有限元計(jì)算模型。

計(jì)算域范圍：向上游、下游取0.6倍墩墻高，地基取1.2倍墩墻高。共剖分六面體八節(jié)點(diǎn)等參單元10996個(gè)，節(jié)點(diǎn)13489個(gè)，其中混凝土共剖分單元8812個(gè)。建立有限元模型時(shí)，以x向?yàn)轫標(biāo)?，z向?yàn)榇怪毕颉?/p>

溫度（或應(yīng)力）歷程曲線結(jié)果特征點(diǎn)分別選取墩墻表面和內(nèi)部各特征點(diǎn)，如圖1所示。

五、閘底板和墩墻施工期溫度場(chǎng)分析

溫度場(chǎng)是模擬施工過(guò)程和考慮不同邊界條件以及水泥水化熱隨時(shí)間變化等因素仿真計(jì)算得出的。施工期溫度場(chǎng)仿真計(jì)算的目的：一是通過(guò)數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)底板和墩墻在施工過(guò)程中的溫度變化過(guò)程；二是確定底板和墩墻應(yīng)力計(jì)算的溫度荷載，溫度場(chǎng)計(jì)算得到的相鄰時(shí)間步的變溫作為應(yīng)力計(jì)算相應(yīng)時(shí)間步的溫度荷載。

1.常態(tài)混凝土和泵送混凝土溫度場(chǎng)對(duì)比

全部采用常態(tài)混凝土（工況1）與全部采用泵送混凝土（工況2）澆筑底板和墩墻時(shí)的特征點(diǎn)溫度場(chǎng)對(duì)比如下：

（1）底板和墩墻混凝土先水化熱溫升，然后由于熱量與環(huán)境氣溫的交換而降低，由于僅采用竹膠模板，墩墻澆筑完成半個(gè)月后，墩墻表面和內(nèi)部的溫度趨于接近。

（2）泵送混凝土因水泥用量大、水灰比大、坍落度大，所以由水泥水化熱引起絕熱溫升高。

（3）采用泵送混凝土澆筑時(shí)，特征點(diǎn)處內(nèi)外溫差較采用常態(tài)混凝土更大，全部采用泵送混凝土施工比全部采用常態(tài)混凝土施工更容易產(chǎn)生裂縫。

2.不同表面保溫下溫度場(chǎng)對(duì)比

在施工均為泵送混凝土澆筑時(shí)，采用竹膠模板（工況2）與采用竹膠模板+內(nèi)貼塑料保溫板（工況3）澆筑底板和墩墻時(shí)的特征點(diǎn)溫度場(chǎng)對(duì)比如下：

圖1 特征點(diǎn)示意圖

（1）表面按工況3進(jìn)行保溫時(shí)，混凝土表面和內(nèi)部的最高溫度均有提高。

（2）表面按工況3進(jìn)行保溫時(shí)，特征點(diǎn)處內(nèi)外溫差較工況2的內(nèi)外溫差減小。

3.不通水冷卻和通水冷卻溫度場(chǎng)對(duì)比

在施工均為泵送混凝土澆筑并采用竹膠模板+內(nèi)貼塑料保溫板時(shí)，墩墻不進(jìn)行通水冷卻（工況3）和通水冷卻（工況4）時(shí)特征點(diǎn)溫度場(chǎng)對(duì)比如下：

（1）通水冷卻時(shí)，混凝土表面和內(nèi)部的最高溫度降低，而且最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間提前。

（2）通水冷卻時(shí)，特征點(diǎn)處內(nèi)外溫差較不通水冷卻時(shí)的內(nèi)外溫差減小。

圖2 常態(tài)混凝土與泵送混凝土澆筑3m處特征點(diǎn)內(nèi)外順?biāo)驊?yīng)力過(guò)程線圖

圖3 不同表面溫度下3m處特征點(diǎn)內(nèi)外順?biāo)驊?yīng)力過(guò)程線圖

圖4 不同冷卻方式下3m處特征點(diǎn)內(nèi)外順?biāo)驊?yīng)力過(guò)程線圖

六、閘底板和墩墻施工期徐變應(yīng)力場(chǎng)分析

仿真應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算模擬了底板和閘墩受到氣溫、自重、徐變、自生體積變形等多種自身和外部的復(fù)雜變化的作用和計(jì)算體型的不斷變化。溫度荷載根據(jù)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果得出。按設(shè)計(jì)的工況進(jìn)行了底板—墩墻施工期應(yīng)力場(chǎng)仿真分析，以下從幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

1.常態(tài)混凝土和泵送混凝土應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比

常態(tài)混凝土（工況1）與泵送混凝土（工況2）澆筑水閘底板和墩墻時(shí)，特征點(diǎn)應(yīng)力過(guò)程線比較如圖2。

根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)分析可知：

（1）墩墻中間先隨水化熱溫升而受壓，然后隨著降溫而拉應(yīng)力逐漸增大；墩墻表面則相反，先受拉，然后隨著溫度的降低而壓應(yīng)力增大。

（2）由于泵送混凝土引起的墩墻內(nèi)部最高溫度高，而且泵送混凝土的彈性模量也較常態(tài)混凝土的彈性模量大，所以泵送混凝土無(wú)論初期的受壓及后期的受拉都比常態(tài)混凝土的大。

2.不同表面保溫下應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比

在施工均為泵送混凝土澆筑時(shí)，采用竹膠模板（工況2）與采用竹膠模板+內(nèi)貼塑料保溫板（工況3）澆筑底板和墩墻時(shí)，特征點(diǎn)應(yīng)力過(guò)程線比較如圖3。

根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)分析可知：

（1）由于工況3進(jìn)行表面保溫，減小了墩墻的內(nèi)外溫差，使墩墻混凝土的應(yīng)力得到較好的改善。按工況3澆筑時(shí)，特征點(diǎn)中部后期的最大拉應(yīng)力較工況2降低，且最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)延遲，由于后期混凝土強(qiáng)度增大了，這對(duì)混凝土的抗裂有利。由于墩墻因表面保溫度而內(nèi)部溫度高，后期降溫時(shí)，墩墻內(nèi)部拉應(yīng)力仍然有所增大。

（2）另外，按工況3進(jìn)行表面保溫，墩墻表面的應(yīng)力也有很好的改善。

3.不通水冷卻和通水冷卻應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比

在施工均為泵送混凝土澆筑并采用竹膠模板+內(nèi)貼塑料保溫板時(shí)，墩墻不進(jìn)行通水冷卻（工況3）和通18℃水冷卻（工況4）時(shí)，特征點(diǎn)應(yīng)力過(guò)程線比較如圖4。

根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)分析可知：

（1）由于通水冷卻，使墩墻內(nèi)最高溫度下降，所以工況4的應(yīng)力較工況3的應(yīng)力有所改善。

（2）值得注意的是，在墩墻內(nèi)通冷卻水期間，在冷卻水管周邊產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。由仿真計(jì)算可見(jiàn)，在水管周邊最大拉應(yīng)力達(dá)到1.549MPa。但停止通水后以及在后期，水管周邊表現(xiàn)為壓應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)，冷卻水管周邊的局部拉應(yīng)力對(duì)墩墻的開(kāi)裂不起主要作用，當(dāng)然，為安全起見(jiàn)，不宜通水溫過(guò)低的冷卻水。

七、結(jié)論

（1）采用泵送混凝土施工時(shí)因水泥用量大、水灰比大、坍落度大，由水泥水化熱引起的絕熱溫升高，所以對(duì)混凝土的抗裂是不利的。如果條件允許，宜采用常態(tài)混凝土施工。

（2）表面采取保溫措施時(shí)，混凝土表面和內(nèi)部的最高溫度均有提高。另外最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間延遲1.5～2.0d，而且澆筑完成近30d后，墩墻表面和內(nèi)部的溫度才趨于接近。但是表面采取保溫措施時(shí)，特征點(diǎn)處內(nèi)外溫差較表面未采用保溫措施的內(nèi)外溫差減小，使墩墻混凝土的應(yīng)力場(chǎng)分布得到了較好的改善。且最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)間延遲，這對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高預(yù)留了時(shí)間，對(duì)混凝土的抗裂有利。

（3）通水冷卻時(shí)，混凝土表面和內(nèi)部的最高溫度降低。表面采取保溫措施時(shí)，通冷卻水措施既可減小墩墻內(nèi)外溫差，同時(shí)也可以減小墩墻內(nèi)的最高溫度（基礎(chǔ)溫差）。因此也使得墩墻通水冷卻下的應(yīng)力較不通水冷卻下的應(yīng)力有所改善，有利于混凝土的抗裂■

（作者單位：安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 230088）