船閘等薄壁結構長間歇后溫控防裂措施研究

李松輝，雒翔宇，張國新，白彥平，程創新

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.安徽引江濟淮集團有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

船閘通常由閘室、閘首、閘門、引航道及相應設備組成，屬于大體積薄壁混凝土結構。從船閘的施工程序、結構特征、材料特性可以看出，溫控防裂是大型船閘施工的重點和難點[1-3]。大量工程實際表明，閘墻、導角等結構體常常會出現均勻的豎向裂縫，且已經成為普遍現象，最有利的措施是施工后發現裂縫然后進行修補。對于閘室墻等的安全運營和經濟效益均存在一定的影響[4-5]。

底板、導角、閘室墻3種結構的建設是船閘建設中的難點，統計分析發現閘室底板與導角、閘墻澆筑均存在28 d以上的長間歇期[6]。長間歇對大體積混凝土的防裂不利，但根據船閘的施工工藝，底板、導角、閘墻間的長間歇不可避免[7-8]。根據統計結果，閘室底板澆筑后需要建立閘墻模板，40 d長間歇為最短時間，通常的底板與閘墻間歇期均在60 d以上[9-11]。混凝土澆筑的長間歇必然會對閘墻產生較強約束，同時導致新老混凝土產生較高的溫差[12]。部分船閘根據施工經驗，起初采用了加大配筋解決防裂問題[13-15]，但效果微弱。目前，長間歇導致的裂縫主要局限于后期的修補及加固階段[16]，大幅增加了工程成本。

根據閘墻或者導角出現裂縫的這種現象，很多學者及專家均對其進行了分析研究。蔣炳芳等人研究分析了船閘裂縫產生的原因，普遍認為船閘混凝土溫控標準及相應措施是施工防裂的關鍵因素[3，17]，但是相應溫控標準及溫控措施落實后閘墻裂縫依然存在。分析發現，船閘建設過程中參考水運混凝土規范，規范中并未對新老混凝土溫差做出具體要求[18]。

基于上述問題，本文將從混凝土澆筑及硬化規律出發，分析船閘建設過程中長間歇導致裂縫產生的內在原因。基于其本質原因，探索降低長間歇的溫度應力方法，并通過有限元方法進一步驗證本文提出的長間歇分塊澆筑方法溫控防裂的有效性。研究成果可為船閘工程長間歇后新澆混凝土溫控防裂提供理論參考。

1 溫度應力計算分析

船閘混凝土長間歇后新澆混凝土的裂縫產生主要源于其硬化過程中材料特性變化及溫度變化產生的應力[19]。前人研究發現，混凝土裂縫的產生是由于應力超過抗拉強度，而抗拉強度的產生不但與溫差有關，還與約束條件有關。故總結長間歇導致新澆混凝土應力值過大而導致裂縫的主要原因有：①長間歇后老混凝土彈性模量達到30 GPa以上導致新澆混凝土受到強約束；②長間歇老混凝土溫度趨于穩定導致新老混凝土溫差過大。基于上述兩點深入分析長間歇導致新澆混凝土開裂的內在原因。

1.1 長間歇后溫度應力分析

船閘底板與豎墻澆筑時間間隔過長無法避免，長間歇后底板彈性模量增大、通過長時間溫降后溫度趨于隨氣溫穩定變化狀態，導致底板對豎墻約束增強、新老混凝土溫差增大，從而產生超規的應力，導致豎墻底板發生裂縫[19]。

長間歇后，老混凝土硬化過程基本結束，根據混凝土彈性模量的時間變化規律，間歇期至少可以達到90 d以上，此時數值可以達到最終彈性模量的90%以上。因此長間歇后的新混凝土澆筑相當于在剛性基巖上進行澆筑。新老混凝土受力示意見圖1。

圖1 新澆混凝土受力示意

根據圖1所示，借鑒朱伯芳院士的剛性基礎上新澆塊均勻冷卻時的溫度應力分析[1]，引用短邊受任意荷載時矩形板的解答結果，使澆筑塊兩端的剪應力消除，得出澆筑塊橫向應力如下

σx=-ζ·E·α·T

(1)

式中，σx為豎墻橫向應力(拉為正，壓為負)；ζ為應力系數；E為底板彈性模量；α為線膨脹系數；T為豎墻與底板的溫差。

通常情況下線膨脹系數為固定值。從式(1)可以看出，長間歇后新澆混凝土橫向正應力的值主要取決于應力系數ζ。降低應力的主要方法是降低彈性模量、降低新老混凝土溫差、降低應力系數。

1.2 分析方法及理論

根據上述分析，基于新澆混凝土的應力特征、長間歇特性以及混凝土的硬化特性，應用自主研發的saptis軟件[20]，仿真分析船閘底板澆筑過程及閘墻澆筑過程。

通常情況下，混凝土在復雜應力狀態下的整體平衡方程為

[K]{Δδn}={ΔPn}L+{ΔPn}C+
{ΔPn}T+{ΔPn}0

(2)

式中，[K]為剛度矩陣；{Δδn}為位移增量；{ΔPn}L為外荷載；{ΔPn}C為徐變荷載增量；{ΔPn}T為溫度荷載增量；{ΔPn}0為自生體積變形荷載增量。

2 數值模型及工況

以某船閘閘室為例，計算分析長間歇對于新澆混凝土溫度應力的影響，探索分析提高長寬比、降低新老混凝土溫差對于溫度應力的影響。

2.1 數值模型

數值模型如圖2所示，閘室長17 m。在分析新澆混凝土溫度應力時在底部有1～2 m的首層澆筑。分段澆筑的關鍵就在于對首層混凝土進行分段，可以達到提高高寬比的目的。應力超標主要發生在首層澆筑部位，因此設定了4個溫度應力監測點(見圖2)。

圖2 長間歇分塊澆筑模型示意

2.2 計算參數及計算工況

船閘混凝土具有絕熱溫升高、彈性模量大、線膨脹系數大等特點，本研究計算參數如表1所示。

表1 混凝土基本計算參數

假定底板與新澆混凝土的間歇期均為60 d，建立不同工況的分析分層分塊、降低新老混凝土溫差對長間歇期后新澆混凝土應力降低的作用效果，具體計算工況見表2。仿真分析內容主要包括：長間歇期新澆混凝土溫度應力分析(工況2)；長間歇期新澆混凝土分層澆筑溫度應力分析(工況3)；長間歇期新澆混凝土分層分塊澆筑溫度應力分析(工況4)；長間歇期新澆混凝土分塊澆筑及降低新老混凝土溫差T的溫度應力分析(工況5)，降低新老混凝土溫差的措施為低溫澆筑新混凝土并加強冷卻水管，老混凝土保溫。

表2 計算工況

3 結果和討論

3.1 計算仿真結果

3.1.1 長間歇期溫度應力分析

工況1和工況2分別為新混凝土在底板澆筑完成7 d后澆筑和60 d后澆筑，選取同一靠近底板附近點溫度應力分析，結果見圖3。從圖3可以看出，長間歇期后底板混凝土硬化完成，同時由于厚度較小和溫升過程的結束溫度降為常溫，直接導致新澆混凝土受到強約束和新老混凝土溫差大的影響；長間歇期后新澆混凝土溫度應力從早期開始就呈向上發展趨勢，應力遠遠超過短間歇期的新澆混凝溫度應力值。因此長間歇期是導致新澆閘墻等混凝土結構出現裂縫的主要原因。該結論與理論分析結果規律一致。

圖3 工況1與工況2的應力過程線對比

3.1.2 分層計算結果對比

船閘的閘室與底板澆筑間歇期過長不可避免的同時，閘墻澆筑過程中受鋼筋施工工藝等影響[6]，閘墻在澆筑過程中長間歇期后新澆混凝土澆筑層厚度過高會使其溫度過高，溫度應力過大，如圖4所示。同時由于閘墻為薄壁結構，澆筑過程中可以利用側面散熱，溫度場不易控制。因此，首先需要在長間歇期后設定薄層混凝土進行過渡，分層過渡可以明顯降低新老混凝土溫差，從而達到降低溫度應力的效果，如圖5所示。

圖4 一次封頂澆筑溫度應力包絡圖

圖5 分層澆筑溫度應力包絡圖

溫度應力計算結果見表3。從表3可以看出，一次性澆筑監測點從最底部開始最大值為3.5 MPa，最小值為3.39 MPa。而分層澆筑后監測點從最底部開始最大值為3.18 MPa，最小值為2.65 MPa，并且分層澆筑與一次性澆筑數值仿真規律相似，即同一高程范圍內與老混凝土距離越遠，應力值越小。

表3 分層工況下溫度應力計算結果

3.1.3 分層分塊澆筑結果

在進行閘墻等薄壁結構分層的基礎上，底部應力依舊較大。根據第2.1節的分析可知，此時通過降低高寬比和新老混凝土溫差可明顯減低底部溫度應力，從而達到防止裂縫產生的效果。基于上述理論，本文對比了工況3、4、5的計算結果。其中，工況4分塊澆筑的最大應力值包絡圖如圖6所示；工況5分塊澆筑并保溫的最大應力值包絡圖如圖7所示。對比圖4(一次性澆筑)、圖5(分層澆筑)、圖6(分層分塊澆筑)、圖7(分層分塊澆筑并降低新老混凝土溫差)可以看出，采取分層分塊降低新老混凝土溫差后，可以明顯降低新澆混凝土底部混凝土溫度應力，結果見表4。從表4可知，工況5的計算結果為從最底部開始最大值2.62 MPa，最小值2.04 MPa。

圖6 分塊澆筑應力最大值包絡圖

圖7 分塊澆筑并保溫應力最大值包絡圖

不同措施降低應力值的效果不同。從表3、4可以看出，工況3與工況4的最大差值從底部開始最大為0.49 MPa，最小為0.38 MPa；而工況4與工況5的最大差值分別為0.18 MPa和0.12 MPa；工況5與工況4的差距明顯小于工況3與工況4的差距。

表4 分層分塊工況下溫度應力計算結果

3.2 結果分析

本文研究分析了閘墻澆筑過程中長間歇期導致裂縫產生的原因，最關鍵的因素是基礎彈性模量和新澆混凝土溫差。因此，預防長間歇后防止新澆混凝土裂縫產生的關鍵是降低新澆混凝土應力。從式(1)中可以看出，降低應力的主要方法是減小應力系數ζ、彈性模量E(τ)、新澆混凝土溫降T、線膨脹系數。具體措施為：①根據2.1節的分析可知[1]，分塊澆筑可以增大高寬比從而達到減小應力系數ζ的目的；②新澆混凝土分層澆筑可以增大散熱量，低溫澆筑及強化水管冷卻也可達到降低新澆混凝土最高溫度的目的。

基于數值模型分析，可總結出以下結論：

(1)與一次性澆筑相比，分層分塊澆筑均能降低新澆混凝土的溫度應力，但是降低幅度與高程有一定的關系，以新老混凝土交界處為0點，隨著高度越高，溫度應力降低幅度越大。分塊澆筑降低溫度應力的效果更為明顯，尤其是新老混凝土接觸部位的溫度應力明顯降低。

(2)對老混凝土實施保溫從而降低新老混凝土溫差，可以達到降低新澆混凝土的溫度應力值，但從新老混凝土接觸部位到遠離新老混凝土接觸部位的地方溫度應力減小值差異較小，減小值僅為原有應力的3%，對應力值降低貢獻較小。

4 結論與建議

本文探索分析了長間歇后薄壁結構順河向應力的影響因素，并基于上述分析提出了長間歇后薄壁結構的防裂措施及方法。得出以下結論及建議：

(1)從理論分析結果可知，分層分塊是明顯降低約束系數的方法，其中分塊澆筑可以明顯降低新澆混凝土底部的溫度應力。

(2)船閘澆筑混凝土均具有高強高水化熱的特點，降低新老混凝土溫差的主要手段只有老混凝土保溫和降低新澆混凝溫度的溫控措施。但是通過降低新老混凝土溫差對于降低新澆混凝土溫度應力的作用較小。

(3)建議工程實踐中采用分層分塊澆筑方法，并根據實際情況，進一步研究分析新澆混凝土分層分塊澆筑工藝。