閘室大體積混凝土在高溫季節澆筑過程的溫控模擬和溫度應力研究

賴月漂 陸冠臻

船閘溫控的重點是低溫和高溫季節的混凝土澆筑問題，特別是基礎約束區部位和表面的溫控防裂。因此，必須高度重視大體積混凝土溫控防裂問題，解決施工進度與混凝土溫度控制措施之間的矛盾。文章依托廣西柳江紅花水利樞紐二線船閘工程，在高溫季節（7月份）澆筑條件下，對施工期的溫度場和溫度應力場數值進行模擬計算分析，確定出合理的施工方案，以保證施工的順利進行并加快施工進度。

閘室;大體積混凝土;高溫季節澆筑過程;溫控模擬;溫度應力

0?引言

船閘工程結構為大體積混凝土，為避免大體積混凝土在高溫季節澆筑施工中產生過大的溫度應力而開裂，在施工過程中應采取溫度控制措施及實施溫度監測，從而提高船閘質量及結構安全穩定性。船閘溫控的重點是高溫季節的混凝土澆筑問題，特別是基礎約束區部位和表面的溫控防裂。本文根據船閘施工期分倉規劃、澆筑順序以及施工進度，模擬大體積混凝土澆筑過程中的各種影響因素，進行混凝土溫度場、溫度應力和結構應力數值模擬計算，對各種溫控措施的效果進行計算，分析不同的澆筑時段、澆筑層厚、間歇期、澆筑溫度及溫控方式對混凝土最高溫度和基礎溫差應力的影響，得出既滿足施工進度又滿足溫控防裂要求的溫控方案。總之，必須高度重視大體積混凝土溫控防裂問題，解決施工進度與混凝土溫度控制措施之間的矛盾，從而提高工程質量。

1?船閘大體積混凝土溫度控制理論

1.1?溫度場計算的基本原理

為全面反映溫度對船閘結構特性的作用與影響，需要研究閘體施工期的溫度場、初期蓄水過程中閘體隨氣溫與水溫等因素變化的變化溫度場、運行蓄水期的穩定（準穩定）溫度場。根據熱量平衡原理，導出固體熱傳導基本方程：

x+（axx）+x（ayTy）+z（azTz）+ωcρ-Tτ=0（1）

式中：a——導溫系數;

λ——導熱系數;

c——材料比熱;

ρ——材料容重;

τ、T——分別描述任意時刻和溫度。

1.2?溫度應力計算的基本原理

混凝土溫度應力分為外部約束引起的應力和閘體內引起的應力。本文主要從混凝土徐變、各階段應力計算平衡方程、單元應力及應力增力進行分析研究。

（1）外部約束引起的應力：當混凝土與其它物體相連接時，其溫度變化引起的體積變形（膨脹或收縮）便不能自由發生，要受到連接物體的限制。

（2）閘體內引起的應力：如果混凝土塊的溫度變化在截面上的分布是非線性的，即造成混凝土塊內部質點體積變形的不協調，相互約束而不能自由發生。

1.3?混凝土應力控制標準

根據混凝土各齡期的彈性模量、相應的極限拉伸值，本文計算了船閘混凝土的允許水平拉應力（或主拉應力），如表1所示。

1.4?混凝土內外溫差及允許最高溫度

1.4.1?內外溫差

為了防止閘體內外溫差過大引起混凝土表面產生裂縫，施工中閘體內外溫差要求控制在25 ℃。

1.4.2?允許最高溫度

混凝土基礎約束區允許最高溫度取決于穩定溫度、基礎溫差、內外溫差和上下層溫差等;非約束區最高溫度按照低溫季節、常溫季節、高溫季節的平均氣溫與內外溫差之和取值。本文研究允許最高溫度控制標準見表2和表3。

2?溫控措施與溫度應力數值模擬研究

2.1?計算模型及計算方案

2.1.1?計算模型

本文的計算模型采用有限元模型，選用閘室作為數值模擬對象，整個閘室的溫度場及應力場三維計算網格立體圖如圖1～2所示。為簡化計算，在計算參數的選取方面，整個閘室均采用同一種混凝土澆筑，即C25常態混凝土。

2.1.2?計算方案

在混凝土澆筑過程中，分為基礎強約束區、基礎弱約束區及非約束區澆筑層，在不同層厚澆筑情況下進行研究計算。在高溫季節（7月份）澆筑時，溫控措施研究分為不采取任何溫控措施、采取降低混凝土澆筑溫度（如采取加冰拌合或風冷骨料等措施）及采取通水冷卻等措施組合數值模擬的工況。

2.2?數值模擬研究

選取圖3所示的三個典型斷面（2#～4#）進行分析，經過數值模擬計算，得到閘室在高溫季節澆筑且無任何溫控措施條件下溫度場與溫度應力場包絡圖。

2.2.1?高溫季節（7月份）澆筑溫控及溫度應力數值模擬

2.2.1.1?選取閘室內部典型特征點

本次研究通過提取閘室內部典型特征點研究高溫季節按以下四種工況澆筑混凝土的情況下的溫度與應力歷程曲線變化，并分析其規律。典型特征點的選取如圖4所示。

其中：NO.1為基礎強約束區內部典型特征點;NO.2為基礎弱約束區內部典型特征點;NO.3為非約束區內部典型特征點。

2.2.1.2?研究的四種工況

（1）不采取任何溫控措施工況;

（2）采取控制澆筑溫度≤28 ℃，但不采取其他溫控措施工況;

（3）采取通水冷卻措施工況;

（4）控制澆筑溫度與通水冷卻相結合工況。

2.2.1.3?高溫季節澆筑條件四種工況下的研究結果

（1）基礎強約束區內部典型特征點溫度歷程曲線如圖5所示，相應的第一主應力歷程曲線如圖6所示。

由基礎強約束區的溫度應力歷程曲線可知，基礎強約束區的應力最大值發生在澆筑后的低溫季節，這是由于高溫季節澆筑后混凝土水化生熱，當低溫季節到來時，該區域的混凝土將遇冷收縮，但是受到地基的強約束作用，溫差產生的收縮就會導致較大的拉應力。降低高溫季節的澆筑溫度可以有效減少這一個溫差的影響，從而降低基礎強約束區的應力峰值。若在高溫季節降低澆筑溫度的同時采取通水冷卻的措施，可以進一步降低這一溫差，從而降低低溫季節導致的拉應力。但是由于通水冷卻時的混凝土出現了較大的溫降速率，通水階段本身也會出現較大的拉應力，因此需要嚴格控制通水冷卻的流量和通水溫度。

（2）基礎弱約束區內部典型特征點溫度歷程曲線如圖7所示，相應的第一主應力歷程曲線如下頁圖8所示。

由基礎弱約束區的溫度應力歷程曲線可知，高溫季節澆筑的混凝土最大應力仍然出現在澆筑后的低溫季節，此時降低澆筑溫度仍然可以減小這一應力峰值，但是由于該區域混凝土受到地基的約束作用已經不明顯，因此由于通水溫降產生的拉應力得到了改善。

（3）非約束區內部典型特征點溫度歷程曲線如圖9所示，相應的第一主應力歷程曲線如圖10所示。

由非約束區的溫度應力歷程曲線可知，較高的澆筑溫度與低溫季節出現的溫差依然是導致應力較大的主要原因，此時降低澆筑溫度仍然可以減小這一應力峰值，通水冷卻仍可以取得較好的效果。

3?建議

（1）由各工況的溫度過程曲線與應力過程曲線可知，溫度與應力的變化曲線符合基本規律，基礎強約束區通過溫度控制可以顯著降低最高溫度與最大應力。高溫季節澆筑的混凝土要進行澆筑溫度的控制，必要時輔助以通水措施，能取得較好的溫控防裂效果，但需防止因降溫過快導致的氣溫倒灌等現象發生。

（2）根據閘室典型段穩定溫度場計算結果，計算船閘施工期溫度應力及綜合應力，以制定混凝土基礎溫差控制標準及上下層溫差控制標準。若保證混凝土出機口溫度與澆筑溫度之間相差6 ℃以內，可考慮氣溫在22 ℃以下無需額外溫控措施，但需要注意防范氣溫驟降的情況。

（3）詳細考慮氣候條件、混凝土材料的熱學力學特性、澆筑溫度、澆筑層厚、通水冷卻、層間間歇、表面保溫條件等一系列因素，進行有限元數值模擬，對船閘澆筑塊的溫度和應力結果作出綜合評價。施工時應避免出現長間歇期澆筑的情況，特別是間歇期超過10 d的情況，以防止新舊混凝土交接面出現大溫差以及變形不協調的問題，推薦混凝土澆筑間歇期為7 d。

（4）若為7月澆筑，采取基礎強約束區降低澆筑溫度與通水冷卻結合的方案，可以取得較好的溫控防裂效果。

（5）冬季極端氣候特別是短時間（2～3 d）氣溫驟降條件下，混凝土表面溫度出現突然降低，溫度應力將出現急劇上升。對于低溫季節澆筑的早齡期混凝土要及時保溫，而對于夏季澆筑的混凝土要進行冬季保溫，對輸水廊道區域可進行表面保溫與廊道出入口臨時封閉以減緩空氣對流，達到控制溫度與應力的目的。

4?結語

本文基于實際工程提出了一些具體的溫控措施，但工程實際施工過程會受到多種因素影響，情況十分復雜，還有很多因素考慮不足。比如鋼纖維的摻入、采用中低熱水泥、船閘誘導縫應該如何布置以及各種保溫材料的選取等。

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