倒T形混凝土結構后澆帶設置最優間距探討

郭高貴，許 樸，林 奔

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

水利工程中存在大量由混凝土底板和墻體所構成的倒T形混凝土結構，如水閘底板與墩墻、泵站底板與流道墻體、渡槽底板與隔墻或邊墻、倒虹吸底板與邊墻、涵洞底板與隔墻甚至擋土墻體等。工程經驗表明，建設過程中墻體結構無論在施工期的早期升溫階段還是在后期的降溫階段，由于受到內外溫差和底板約束的作用而容易出現溫度裂縫[1-2]，嚴重影響工程的建設質量和耐久性。混凝土溫度裂縫出現的主要原因在于其內部溫度瞬態場的分布、邊界條件的限制、溫度變化量及其相應的溫度變形之間的轉化[3]。設置后澆帶是一種行之有效的溫控防裂措施[4-5]。

《混凝土結構工程施工規范》(GB 50666—2017)[6]給出后澆帶的定義為適應環境溫度變化、混凝土收縮、結構不均勻沉降等因素影響，在梁、板(包括基礎底板)、墻等結構中預留的具有一定寬度且經過一定時間后再澆筑的混凝土帶。

后澆帶的設置應遵循“抗放兼施，先放后抗”設計原則。王鐵夢[7]開創了針對工民建大體積混凝土的專項研究，結合具體工程實例，考慮混凝土干燥收縮的影響，得到溫度應力與結構長度之間的非線性關系，給出了結構設計人員在設置后澆帶時可用來參考的理論依據和已建成的成功項目案例。朱伯芳[8]提出采用塊縫法代替填縫法，采用預先設計好的人工縫，配以鍵槽和注漿設備。吳中偉[9]建議用補償混凝土解決混凝土變形引起的裂縫，或者用“膨脹加固帶”完全或部分替代后澆帶。ACI委員會、日本建筑學會JASS和英國設計規范也均認為在施工中采用分縫分塊是可行的方法。

目前，對后澆帶的加固、澆筑、寬度和布置等方面的研究較多[10]。但不同條件下的后澆帶合理間距應該怎樣取值一直沒有普適性的依據。因此，以長江中下游平原河網地區的軟土樁基倒T形混凝土結構為分析對象，著重進行后澆帶間距進行了敏感性分析，以期對類似結構在不同季節澆筑時的后澆帶設置間距提供合理的建議。

1 計算模型與參數

1.1 有限元計算模型

建立倒T形混凝土結構的不同后澆帶間距的有限元模型，其中底板長100 m、寬100 m、厚 2 m，墊層厚 0.2 m，軟土地基厚30 m，巖基厚20 m，底板與墊層下軟土地基內有樁基，地基沿上下游各延伸50 m，如圖1、圖2所示。模型坐標的原點位于左岸第一個碼頭的下游表面的中心。Z軸垂直向上，X軸橫跨河流，Y軸根據右手螺旋規則指向上游。表1中顯示了具有不同后澆注間距的模型元素和節點的數量。

圖1 有限元計算模型網格

表1 不同結構的單元數量與節點數量

圖2 不同后澆帶間距下結構底板和墩墻有限元模型俯視圖

1.2 主要計算參數

混凝土結構采用泵送混凝土澆筑，使用P42.5級普通硅酸鹽水泥。樁基結構采用C30混凝土，墊層結構采用C25混凝土，主體結構澆筑混凝土強度等級為C30。C25、C30混凝土絕熱溫升參數分別為

θ(τ)=38(1-e-0.95)

(1)

θ(τ)=51.3(1-e-0.69)

(2)

式中：θ為混凝土絕熱溫升值，℃；τ為混凝土齡期，d。

混凝土其他熱力學參數具體如表2所示。

1.3 計算邊界條件

溫度場仿真計算中，地基的四周和底面為絕熱邊界，上表面為散熱邊界；結構對稱面為絕熱邊界；施工臨時縫面、結構永久縫面當未被覆蓋時為散熱邊界，覆蓋后為絕熱邊界；其他表面均為散熱邊界。應力場仿真計算中，地基的四周和底面施加法向約束，上表面為自由邊界。結構對稱面施加法向約束，結構永久縫面為自由邊界。其他表面為自由邊界。

采用的多年月平均氣溫如表3所示。

表2 混凝土熱力學參數

表3 當地多年月平均氣溫

為了便于計算，將多年月平均氣溫擬合成一條余弦曲線：

(3)

式(3)中：τ為時間，月。

2 計算工況及結果分析

2.1 計算工況

2.1.1 夏季澆筑

底板在夏季澆筑，后澆帶在先澆塊溫度降至30 ℃后澆筑。墩墻先澆塊在底板后澆帶降至30 ℃后澆筑，墩墻后澆帶在墩墻先澆塊溫度降至30 ℃后澆筑。澆筑溫度35 ℃。后澆帶間距分別為50、40、30、15、8 m。澆筑間歇期如表4所示。

表4 夏季不同澆筑層的開始澆筑時間

2.1.2 春秋季澆筑

底板在春秋季澆筑，后澆帶在先澆塊溫度降至25 ℃后澆筑。墩墻先澆塊在底板后澆帶降至25 ℃后澆筑，墩墻后澆帶在墩墻先澆塊溫度降至25 ℃后澆筑。澆筑溫度25 ℃。后澆帶間距分別為50、40、30 m。澆筑間歇期如表5所示。

表5 春秋季不同澆筑層的開始澆筑時間

2.1.3 冬季澆筑

底板在冬季澆筑，后澆帶在先澆塊溫度降至20 ℃后澆筑。墩墻先澆塊在底板后澆帶降至20 ℃后澆筑，墩墻后澆帶在墩墻先澆塊溫度降至20 ℃后澆筑。澆筑溫度15 ℃。后澆帶間距分別為100(不設)、50、40、30 m。澆筑間歇期如表6所示。

2.2 計算結果分析

對有限元模型進行仿真計算分析，得到不同間距后澆帶條件下，倒T形混凝土結構底板和墩墻的最大拉應力和最大溫度。其中，結構最高溫度的計算結果如表7所示，最大拉應力的計算結果如表8所示。

表6 冬季不同澆筑層的開始澆筑時間

表7 不同后澆帶間距條件下出現的最高溫度

表8 不同后澆帶間距條件下出現的最高拉應力

從計算結果可以看出，澆筑時間及混凝土入倉溫度對結構內部的最高溫度有顯著影響，而后澆帶的間距對最高溫度影響不大。

由于地板位于軟土地基上，雖然樁基有一定約束作用，但約束不大，因此不同后澆帶間距條件下，底板內部最高拉應力總體上隨著后澆帶間距的減少而減小，但變化幅度不大，這很大程度上還是由于間距減小后，后澆帶增多，散熱面增加導致混凝土內部最高溫度降低造成的。

墩墻由于下部底板“老”混凝土的強約束，對后澆帶間距的變化很敏感，總體上隨著后澆帶間距的減少而減小，由于上墩的直接約束，墩下底板的最大應力大于其他部分。由于墩被底板強烈約束，因此墩的最大拉應力大于底板的拉應力。冬季溫度和澆注溫度較低，因此最大拉應力最小。同樣，最大拉應力在夏季最大，在春季較低。

根據上述計算結果，采用二次方程擬合不同澆筑季節根據墩墻內部應力與后澆帶間距的關系曲線，擬合出曲線圖3所示。

x為澆筑塊長度，m；y為墩墻內部應力，MPa

根據計算數據可知，夏季施工時，倒T形混凝土結構底板最優澆筑塊長度為30 m，墩墻最優澆筑塊長度為8 m；春秋季施工時，底板最優澆筑塊長度為30 m，閘墩最優澆筑塊長度為30 m；冬季施工時，底板最優澆筑塊長度為100 m，閘墩最優澆筑塊長度為100 m。需特別說明，最優后澆帶間距的選擇標準為：混凝土結構施工期內部最大拉應力不超過抗拉強度，即施工期最小防裂安全系數為1.0。需注意的是，該安全系數條件下，當冬季最大拉應力發生時，施工期結構內部無安全裕度。如此時遇寒潮停留，或其他未考慮到的不利荷載或約束條件，則拉應力仍有可能超過抗拉強度。

通過一次方程擬合倒T形結構塊體的最佳長度與墩內最高溫度之間的關系如圖4所示。

x是墩墻的最佳澆注長度，m；y是墩內的最高溫度，℃

3 結論

(1)在長江中下游平原河網地區，軟土地基上的倒T形混凝土結構底板，如果上部有墩墻對其產生約束，在夏季和春秋季澆筑時后澆帶最優間距是30 m；冬季可不設后澆帶，整體澆筑。

(2)墩墻的最大拉應力受底板的約束，最大拉應力與最高內溫之間存在較明顯的正相關關系。為防止墩墻開裂，應選擇合理后澆帶的間距。墩墻澆后澆帶設置的最優長度與墩壁內最高溫度的關系如圖4所示。