水工大體積混凝土結構溫度裂縫控制技術研究

陳開宇，周奕琦

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

船閘導航墻、閘室墻等是船閘工程的重要組成部分，具有結構長度長、體積大、高度高、斷面結構復雜等特點，是典型的異型大體積混凝土結構。根據以往的建設經驗，導航墻、閘室墻等類似結構，普遍存在不同程度的豎向規則裂縫，若溫控措施不當，將極易產生貫穿性裂縫，影響結構的正常使用。已有文獻從設計、材料、施工各角度，對混凝土裂縫的成因、控制措施等進行闡述，但是此類結構的裂縫問題依舊突出[1]。

本文借助ANSYS有限元軟件，針對豎向高度較大的連續混凝土結構進行溫度裂縫控制研究，建立某船閘導航墻三維有限元模型，進行多工況下的溫度場計算與分析，給類似工程設計、施工提供參考。已知某船閘導航墻為C30鋼筋混凝土結構，豎向高度為6.6 m，最寬處寬度為4.2 m，其斷面尺寸如圖1所示。該已建船閘導航墻采用全斷面澆筑措施，導航墻側面出現了一定數量的豎向貫穿裂縫[2]。

圖1 導航墻斷面圖（單位：m）

1 有限元仿真

1.1 保溫層近似處理

實際工程中，混凝土表面通常采取相應的保溫養護措施。為了按照第三類邊界條件計算，通常運用等效放熱系數法對模板或保溫層進行簡化[3]。先計算每層保溫材料的熱阻，公式如下：

式中：hi為第i層保溫材料的厚度；λi為第i層保溫材料的導熱系數；Ri為第i層保溫材料熱阻。最外層保溫材料與空氣間的熱阻為1/β（β為表面放熱系數，kJ/（m2·h·℃）），所以若干層保溫材料的總熱阻Rs可由下式計算：

保溫層本身熱容量較小，可以忽略，則混凝土表面通過保溫層向周圍介質放熱的等效放熱系數βs可用下式計算：

1.2 水管冷卻下的熱傳導方程

由于水管附近的溫度梯度很大，必須布置密集的網格才可得到比較準確的溫度場。如果將冷卻水管視為熱匯，在平均意義上考慮水管冷卻效果，可使問題得到簡化[4]。等效熱傳導方程為：

式中：T0為混凝土初始溫度；α為混凝土導溫系數。等效熱傳導方程的右邊由2個多項式組成，第一個多項式是代表通過冷卻水管的側面邊界與混凝土產生熱量交換而導致混凝土結構產生溫度變化；另一個多項式為（T-T0）代表混凝土結構外表面在絕熱條件下，因絕熱溫升θ和水管冷卻作用導致其平均溫度的變化。

1.3 模型參數

導航墻的模型參數包括導航墻尺寸參數、混凝土配合比、混凝土的熱學參數、力學參數等。混凝土配合比見表1，承臺溫度場參數見表2。

表1 C30混凝土配合比

表2 混凝土溫度場研究參數

1.4 模型建立

借助ANSYS軟件，針對實際施工中的全斷面澆筑方案，對承臺進行瞬態熱分析，計算導航墻在施工期的溫度場。在溫度場分析中，使用SOLID70單元進行模擬。SOLID70單元具有空間3個方向的熱傳導能力，每個節點僅有1個溫度自由度，適用于三維的穩態和瞬態熱分析。本文的所有模型均采用四面體網格劃分。全斷面澆筑下的導航墻有限元網格模型如圖2所示。

圖2 導航墻三維有限元網格模型

2 全斷面澆筑

根據該船閘導航墻實際施工情況，導航墻取15 m為一段，采用全斷面澆筑。模擬夏季施工，外界氣溫最值為（30±10）℃。設定計算（澆筑）開始時間為0 h，計算截止時間為720 h。圖3為全斷面澆筑下溫峰時刻導航墻溫度場云圖。圖4為澆筑結束后，導航墻前2周的溫峰值隨齡期變化圖。

圖3 全斷面澆筑下導航墻溫峰時刻溫度場云圖（單位：℃）

圖4 全斷面澆筑下導航墻溫峰值隨齡期變化圖

如圖3、圖4所示，全斷面澆筑下的導航墻溫峰值為72.75℃，出現在澆筑開始的76 h，溫峰值出現在約3.7 m高度處，此時的內表溫差為30.5℃。由于導航墻的散熱條件較差，大量的水化熱積聚在混凝土內部難以散發，溫度場峰值下降緩慢，導致導航墻內部長期處于高溫狀態，存在極大的裂縫安全隱患。根據《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》（JTS-202-1—2010）[5]，混凝土內部溫度不宜超過70℃，內表溫差不超過25℃。顯然，全斷面澆筑不能滿足溫度裂縫控制的要求，該已建船閘導航墻側面也出現了一定數量的豎向貫穿裂縫。

因此，全斷面澆筑方式下，混凝土結構極易產生大量規則的豎向貫穿溫度裂縫，有必要針對此澆筑方式進行適當改進。

3 澆筑措施優化

從優化澆筑措施以及控制溫度裂縫的角度，根據導航墻結構特點及大體積混凝土施工分層要求，取15 m為一段，再將每段導航墻分成4層，分層施工。第一層厚1 m，第二、三層厚1.8 m，第四層混凝土層厚2 m。分層施工示意圖見圖5。各層的澆筑開始時間分別為 0 h，180 h，360 h，540 h，模型計算截止時間為720 h。

圖5 導航墻分層施工示意圖（單位：m）

圖6 為導航墻分層澆筑下的溫峰時刻溫度場云圖。混凝土結構的溫峰值為62.79℃，出現在第三層澆筑開始的64 h，溫峰值出現在約4 m高度處，此時的內表溫差為24.6℃。根據文獻[5]，從溫度場要求考慮，分層澆筑可以滿足溫度裂縫控制的要求。

圖6 導航墻分層澆筑下溫峰時刻溫度場云圖（單位：℃）

導航墻全斷面澆筑結束后的前2周溫峰值變化與分層澆筑下第三層混凝土澆筑結束后的前2周溫峰值變化曲線對比如圖7所示。由圖7可見，分層澆筑時的溫峰值平均下降了9.96℃，內表溫差平均下降了5.9℃。由于分層澆筑，混凝土的散熱條件有了較好的改變，在第四層混凝土澆筑前，第三層混凝土的降溫速率近2℃/d。

圖7 不同澆筑方式下導航墻溫峰值隨齡期變化曲線對比圖

在很多情況下，由于底層混凝土阻尼系數較大，導致混凝土容易出現豎向貫穿裂縫。表層的裂縫可以用鋼筋網片解決，而內部的裂縫則容易被忽視。從施工方便角度考慮，一層一層地澆筑導航墻，導致施工工序繁雜，同時分層澆筑工期會受影響。所以，只是采取分層澆筑顯然是不夠的。為此需要在能控制溫度裂縫的情況下，優化施工工藝，縮短工期。

4 優化溫控措施

4.1 方案設計

對于豎向高度較高的大體積混凝土結構，考慮到施工難度，采用全斷面施工是有難度的，對溫度裂縫控制也不利。因此，可以考慮在適當分層的基礎上，采用布設冷卻水管的方式來控制溫度裂縫。通過管冷措施來帶走混凝土內部的水化熱，優化混凝土的散熱條件。

導航墻分兩層澆筑，第一層混凝土澆筑厚3.0 m，澆筑開始時間為0 h；第二層厚3.6 m，澆筑開始時間為240 h，計算截止時間為480 h。冷卻水管采用管徑30 mm的Q235鋼管，水管豎向共兩層，第一層距地面1.5 m，第二層距地面4.0 m。水管距混凝土表面0.75 m，水管水平間距0.9 m，兩層水管各有一套進出水系統。冷卻水管在澆筑開始10 h后通水，通水6 d，流速控制在0.6 m/s。冷卻水管布置如圖8所示。

圖8 冷卻水管布設圖

4.2 管冷措施下溫度場計算

此方案下的溫度場峰值時刻計算云圖見圖9。導航墻溫峰值為59.69℃，出現在第二層混凝土澆筑開始的72 h，此時的內表溫差為23.56℃。此方案較只分層澆筑方案溫峰值降低了3.1℃，內表溫差降低了1.04℃。顯然，此方案符合溫控要求。計算截止時的溫度場云圖如圖10所示，此時混凝土內部溫峰值與環境溫差小于20℃，符合拆模要求。而且，導航墻的施工時間由720 h減少到480 h，工期大大縮短。

圖9 布設冷卻水管下的溫峰時刻溫度場云圖（單位：℃）

圖10 布設冷卻水管下計算截止時刻（480 h）溫度場云圖（單位：℃）

5 抗裂系數計算

由于溫峰值出現在第二層混凝土澆筑后，并且混凝土的阻尼系數比導航墻基礎要大，因此根據對應齡期的內表溫差和溫峰值，參照文獻[5]，還需要計算第二層混凝土的內約束和外約束的抗裂安全系數，結果見表3、表4。

表3 第二層混凝土內約束抗裂安全系數

表4 第二層混凝土外約束抗裂安全系數

由表3、表4可知，導航墻的內、外約束抗裂安全系數均大于規范要求的1.15。表明布設冷卻水管并結合合理的分層澆筑可以滿足導航墻溫度裂縫控制要求，此方案具有一定的可行性。

因此，在設計、施工時，對于豎向高度較高的大體積混凝土結構，為了滿足溫度裂縫控制及盡可能縮短工期的要求，宜采用布設冷卻水管的方式，同時結合適當分層施工。

6 結語

（1）通過有限元軟件ANSYS建立了導航墻三維有限元數值模型，并針對不同工況下的結構溫度場進行了計算與分析。通過全斷面澆筑與分層澆筑溫度場計算結果對比發現，只采用分層澆筑可以較好地控制混凝土的溫峰值，但容易因外約束應力產生裂縫，同時工期會因此延長。

（2）通過適當分層澆筑結合冷卻水管作用的有限元數值模擬，表明大體積混凝土內部埋設冷卻水管能夠很好地起到削峰降溫的作用，同時降低內部與表面溫差、表面與空氣溫差等溫控指標，從而起到控制溫度裂縫的作用。而且，合理的分層措施還可以大大節約工期。

（3）通過溫度場計算結果發現，在夏季進行大體積混凝土施工時，由于白天氣溫較高，日照強烈，且晝夜溫差較大，混凝土的內表溫差所受影響較大，所以還應注意選擇合適的澆筑溫度、養護方式和養護時機。