水利工程薄壁混凝土結構施工期溫控防裂研究

高喜才

(河南省水利第一工程局，河南 鄭州 450000)

1 裂縫機理與防裂方法

1.1 開裂機理

混凝土屬于熱性材料，因為會受到水泥水化熱的影響，所以其溫度會在澆筑之后增加。另外，由于混凝土材料具有熱惰性，所以相比較來說其外部熱量散發的效率更高，從而會造成混凝土結構內部溫度相對過高而產生結構性溫差。而如果混凝土結構溫差過大會造成其結構發生不均勻的變形，因此會導致混凝土的結構外部形成拉應力，一旦這種力的大小超出其所能承受的大小范圍，裂縫就會隨之出現。往期澆筑的混凝土會在最新澆筑的混凝土的降溫階段對其結構造成約束作用，從而導致拉應力的形成；而且隨著新舊混凝土澆筑時點間隔的拉長以及降溫幅度的加深，往期澆筑的混凝土對新澆筑的混凝土造成的約束力度會更加顯著。因為相較于混凝土結構的厚度，在薄壁混凝土結構中其長度方向上的尺寸大小是明顯更大的，因此如果有裂縫形成則會是貫穿性的。

1.2 防裂措施

1.2.1 鋪設冷卻水管

通常情況下，如果在混凝土構件中鋪設管道并注入冷水是能夠降低混凝土的結構溫度的，但是這一溫控措施是無法在所用狀況下適用的。以某項實際施工活動中的水管鋪設活動研究為參考，可以得到完成1層管道的鋪設需要花費的時間一般為2～4 h，但是混凝土的結構溫度在水管鋪設期間能夠上升的溫度最大能夠達到10 ℃。所以通過加大倉面的覆蓋時長來做到對混凝土結構溫度的控制也許會更易造成其結構溫度的加大，這樣做從成本以及工程的質量保障等方面來看都是不科學的。因為這種混凝土結構的體積較大，而且其內部的溫度下降的速率低，所以如果想要真正達到穩定狀態一般需要花費數十年。在寒冷的冬季，由于外部環境氣溫低，劈頭裂縫很容易在上游面部位產生，所以鋪設冷水管依舊是十分有必要的溫控防裂手段，在水利工程建筑物正常運行期間防裂工作也必須要重視。

1.2.2 大壩上游面溫度縫的設置

目前在碾壓混凝土重力壩的施工操作中存在兩類觀點，其中一個觀點是不建議設置溫度縫，因為相較于設置溫度縫的混凝土重力壩它可以擁有更強大的承重能力，而且也簡化了施工工序，有效減輕了施工的工作量，因此也能夠縮短工期，其結構特征與拱壩相像。另外，如果原本對工程所要求的防滲等級并不高，則即使混凝土結構出現了開裂也不會對壩體的正常運作造成很大影響。第二種觀點則是建議設置溫度縫，模式是間距為20～30 m的橫縫。首先是因為溫度縫的設置能夠抑制裂縫的產生，而對于具有嚴格防滲要求的水工壩體結構來說，將橫縫設置在應力最集中的混凝土結構處能夠有效緩解裂縫形成。為了不對大倉面的正常施工操作產生影響，壩體結構中溫度縫的設置最好為誘導縫，應該將其設置在上游面處，溫度縫的深度距離上游面大約3 m，同時要應用止縫孔結構。

1.2.3 混凝土智能監控軟件

結合混凝土澆筑施工所具有的特征，要做到集中化管理監測信息應基于數據庫將澆筑倉作為主線，同時管理要具有模式化的特征，開發出具有8個子模塊的智能監測系統軟件，并將其應用于混凝土結構監測活動中。首先管理、數據收集和運輸反饋這4個子系統能夠完成的工作有混凝土結構溫度的監測收集、大量數據信息的存儲與共享以及生成數據報表等；混凝土結構裂縫產生的預警以及溫度數據異常報警等工作可以由預警子系統來完成，而且它還可以提供相應的決策建議；智能通水子系統可以以數據庫中存儲收集的信息數據為基礎進行模型的分析與建立，然后基于分析結構發出相應的指令實現自動控制；干預反饋子系統能夠把借助互聯網把相關信息反饋給工作人員，便于及時進行處理，而且能夠將處理的結果繼續反饋回服務器設備，最終能夠形成管理上的閉環；智能保溫子系統則能夠基于環境溫度數據預測進行運算得出溫控措施建議。

2 計算原理與方法

在整個計算領域R內，不穩定溫度場T(x,y,z,t)必須符合下式：

(1)

式中，T為溫度；a為導溫系數；t以及τ為時間和齡期；θ為絕熱溫升。

以變分原理為基礎，然后對上式進行空間域以及時間域的處理，在完成相關數據條件的引入之后能夠得出：

(2)

上式是溫度場有限元計算遞推方程，其中[H]以及[R]分別是熱傳導和熱傳導補充矩陣；{Fn+1}以及{Tn}分別是荷載列陣以及溫度列陣。另外，n是時段序數，Δtn是時間步長。基于式(2)，同時結合節點的計算溫度{Tn}能夠得到{Tn+1}。

另外，以熱傳導定律以及熱量平衡條件為計算基礎，能夠得出：

(3)

式中，λ為混凝土的導熱系數，cw、pw以及qw依次代表的是流量、比熱以及密度。

因為已經知道了冷卻水的入口溫度數據，所以能夠基于式(3)通過推導得出水體的溫度。另外，由于水管水溫的測算會受到Tn即溫度梯度的影響，所以這種情況下混凝土溫度場的計算應該基于迭代法去進行求解，因為它屬于邊界非線性問題。另外，對于彈性混凝土的應力增量有：

(4)

然后基于幾何、平衡以及物理方程能夠得到Δt1的有限元支配方程：

(5)

3 案例分析

3.1 工程概況

某渡槽的結構全長是2 300 m，單跨長為30 m，橫向的長度是22 m，呈現三槽的槽深特征，是一個大體積的一級交叉建筑物，它的單槽段面尺寸是6 m×5.4 m，混凝土等級是C50W6F200。對于此渡槽結構來說，混凝土的溫控防裂工作是重要且操作較為困難的。

3.2 計算模型

圖1 槽身特征點布置

圖2 仿真計算網絡

3.3 計算結果分析

以工程建設施工期間薄壁型混凝土的開裂機理為依據，同時參考該工程實際的渡槽結構狀況以及具體的客觀施工環境，選擇實施的溫控措施是將混凝土內部溫控以及外部溫控的手段相結合。最終得出的仿真計算數據如下所示(見圖3～圖7)，是基于特征點以及典型剖面展開的分析。

圖3 1、2典型點溫度與應力數據

圖4 3、4典型點溫度與應力數據

圖5 澆筑2 d后管道溫度等值線

圖6 澆筑2 d后管道應力等值線

圖7 第2層澆筑兩天后溫度與應力等值線

(1)溫度計算結果分析

通過混凝土結構內部降溫以及外部保溫這兩種溫控手段的結合實施，其結構內部的溫度增加的幅度變小了，而且其結構外部的散熱速率也得到了抑制，因此渡槽混凝土結構內外部的溫差明顯減小了。渡槽混凝土結構的溫度極大值點位于澆筑操作實施后的2～3 d之間，從圖3中的1、2典型點數據能夠看到，渡槽混凝土表面的溫度極大值是36 ℃，而其內部的溫度極大值則是46 ℃，總體來說結構溫差大概為10 ℃；其中如圖3(a)所示鋪設冷水管道所產生的降溫效果是比較顯著的。

在第一層槽身澆筑完成15 d后，接著開展第二層槽身的澆筑工作，該層混凝土墻體的厚度尺寸很小，擁有不錯的散熱能力；其結構溫度極大值時點為澆筑工作完成后的2～3 d之間，峰值是35 ℃。在非水管區域，其結構溫度在第二天時達到峰值，且最大溫度為41℃。在溫控手段實施后，混凝土結構溫差大約為1.5 ℃，溫差較低(見圖4)。因為鋪設的水管管壁周邊的混凝土結構溫度是和水體溫度相近的，所以這個位置的結構溫差梯度較為明顯，如圖5所示處于鋪設的管道之間的混凝土結構溫度大約為35 ℃。

(2)應力計算結果分析

渡槽混凝土結構的溫度在其澆筑工作完成后會出現快速的增加。因為鋪設了冷水管道，所以位于管道周邊的混凝土結構溫度上升幅度的相對并不明顯。從數據圖上能夠觀察到因為初期結構溫差的存在，1、2典型點所呈現出的分別為拉應力以及壓應力。當渡槽混凝土的內部結構溫度上升到極大值時，其外部的拉應力也達到了峰值，數值大小為1.0 MPa。因為這個拉應力大小依舊位于其結構抗拉強度的承受范圍之內，所以在這種情況下一般不會產生開裂現象。如圖3(b)所示，渡槽混凝土結構的收縮變形隨著后面結構溫度數值的減小，開始慢慢成為主導，拉應力上升并于大約第七天時達到了極大值1.1 MPa。在進行第二層渡槽結構的澆筑時，由于受到了所處外部環境的晝夜溫差以及新澆筑的混凝土重力等因素的影響，主梁應力會發生大幅度的升上。

基于圖中數據能夠看出，在第二層結構澆筑工作完成2 d后，其特征點的應力波動規律與主梁是比較相似的。因為結構溫差并不大，所以渡槽混凝土的結構內外部所產生的應力在初期也是比較小的，因此發生結構開裂的概率較低。

4 結 論

總之,同時結合內部降溫以及外部保溫的溫控應用手段能夠有效降低混凝土結構澆筑初期結構內外部的溫差以及溫度應力的大小，從而對于裂縫開裂的控制有良好的預防效果，而且見效速度快，因此具有較好的應用前景。但是所有溫控手段同時也是具有雙面性的，所以在應用過程中應該結合工程結構的實際情況努力發揮各項措施的正面積極效用。另外，可以在正式施工活動開展前進行建模仿真分析，以便更好地保證施工的質量以及安全性，便于開展更加適配的溫控方案。