倒虹吸施工期溫控防裂問題探討

帥兵兵

(江西省水投建設集團有限公司 ,南昌 330000)

0 引 言

倒虹吸是灌溉工程及調水工程中常見的交叉建筑物,其施工質量直接關系到灌溉及調水工程的運行效果。倒虹吸斷面形式包括箱形、拱形和圓形等,屬于典型的空腔薄壁異形大體積混凝土結構,混凝土澆筑施工過程中必然面臨溫控防裂難題。

混凝土屬于熱性材料,在澆筑完成之初,因水泥水化熱的作用,混凝土內部溫度將急劇升高;當外界溫度較低時,混凝土結構表面熱量散發快而內部熱量散發慢,內外出現溫度差,過大的溫度差必將導致混凝土結構內外變形不一致,相對變形引發結構表面拉應力。這種拉應力超出混凝土抗拉強度時必將引發結構裂縫。倒虹吸結構物因長度向尺寸遠大于厚度向尺寸,結構整體收縮所引發的拉應力均較大,一旦出現裂縫,必將貫穿整個結構。深入分析倒虹吸結構物混凝土澆筑后內部應力主要影響因素及變動趨勢,并提出合理有效的溫控措施,對于類似水工建筑物施工質量控制具有積極意義。

1 工程概況

上饒市城市防洪三江導托渠改擴建渠道總長7212m,新建進水閘、攔水堰(閘)各一座。上饒市城市防洪工程為Ⅲ等工程,三江導托渠工程建筑物級別為三級,治澇標準為20a一遇洪水。本工程需要導流的主要建設項目有導排渠(3+989～4+270)段、進水閘、攔水閘、橋梁以及外江碼頭等。信江(出水閘)位于信州水利樞紐上游約1.0km,根據《江西省上饒市信州水利樞紐工程初步設計》可知,信州水利樞紐的正常蓄水位為66.0m。

三江導托渠改擴建渠道倒虹吸管身段為兩聯雙孔箱涵形式,每節管身左右兩聯均對稱布置,箱涵孔凈尺寸為6.5m×6.8m,結構混凝土設計高度為9.3m,兩聯總寬度為16.3m;頂底板及每聯管身外側邊墻混凝土厚1.2m,兩孔間隔墻厚1.0m。管身段采用C30強度的混凝土和雙層鋼筋結構,φ28mm主筋按照12.5m間距布置,φ18mm分布筋按照20cm間距布置。單節管身段混凝土方量218.9m3。根據倒虹吸施工方案,沿著管身段混凝土高度分三次澆筑:首次主要澆筑底板、下部倒角和倒角上0.6m段墻體,總澆筑高度2.4m;第二次澆筑設計高度為4.0m的墻體;第三次澆筑頂板以及上部倒角、剩余墻體。混凝土采用泵送及布料機兩種方式入倉;澆筑結束后通過棉被或土工膜覆蓋養生。

2 計算模型

2.1 仿真區域

穿渠倒虹吸管身為雙孔雙聯鋼筋混凝土箱形設計,且左右對稱,厚度較薄,底板具有很強的約束作用,同時面臨嚴峻的溫控防裂問題[1]。為保證模擬結果的真實準確,以雙孔單聯直管段為計算模型,模型邊界四周和下方的地基均向外延伸30m。

通過結構實體單元和熱力學單元離散穿渠倒虹吸管體,并對應力溫度耦合場展開分析。結合該穿渠倒虹吸工程混凝土澆筑施工特點劃分計算單元,共將計算模型劃分成27463個單元和31846個節點,其中在厚度方向將底板和墩墻劃分成8層及9層單元,豎向則將每0.3m劃分成1層單元,以上劃分均與實際澆筑層厚度吻合,計算精度有保證。

2.2 邊界條件

穿渠倒虹吸混凝土散熱系數取值主要取決于外界環境溫度和風速。結合國家氣象站和上饒市氣象站所提供的氣溫觀測統計資料,2020年12月—2021年12月工程所在地平均氣溫位于-10～21℃之間,工程區常年風速均值為12.1km/h。因倒虹吸屬于水工地下建筑物,根據《水工混凝土施工規范》,可以估算出該穿渠倒虹吸表面風速達到10.4km/h,相應的混凝土散熱系數取60.41kJ/(m2·h·℃)。

將混凝土和四周墊層接觸邊界設定為絕熱邊界,相應的熱傳導系數取0kJ/(m2·h·℃)。在進行大體積混凝土內部應力場計算時,基礎底面和四周分別為三維零位移約束和法向零位移約束[2]。

2.3 計算工況

在對該穿渠倒虹吸混凝土施工過程詳細分析的基礎上,選擇多種溫控方案典型工況展開計算,以期優選出契合工程實際的溫控防裂方案。試算后,最終確定出兩類施工工況。

工況1:在一年中任意季節澆筑,且不采取任何溫控措施,底板及墩墻澆筑2d后拆模,頂板混凝土澆筑10d后拆模。混凝土澆筑施工期間,晝夜溫差達到10℃,根據環境溫度及施工經驗,暫將澆筑溫度控制在環境溫度+4℃。

工況2:在避開冬季和夏季的任意季節澆筑,對C30混凝土摻加5%粉煤灰以優化配合比(見表1),將混凝土入倉溫度從22℃降至15℃。每層混凝土澆筑完成2d后遭遇持續3d降溫15℃的寒潮,并在1d內恢復正常溫度。墩墻、底板間增設厚度為1cm的工業毛氈,底板側則加設厚度為1cm的泡沫板,持續保溫5d后連同模板一起拆除。墩墻表面則設置厚度1cm的泡沫板,其與頂板間設置厚1cm的工業毛氈,持續保溫7d后與模板一同拆除。

表1 C30混凝土配合比 kg/m3

在分析過程中,通過將散熱系數取值調整為24.7kJ/(m2·h·℃)的方式模擬在混凝土剛模板外部黏貼厚度1cm工業毛氈保溫的作用效果。

2.4 管體混凝土力學參數

穿渠倒虹吸大體積水工混凝土水化熱、絕熱溫升、抗拉強度、彈性模量等力學參數隨著混凝土齡期的變化趨勢規律采用復合指數公式予以體現[3]。其中,大體積混凝土在特定齡期的累計水化熱為齡期的冪函數;混凝土在某個齡期的絕熱溫升主要與混凝土膠凝材料使用量、混凝土比熱容和混凝土密度等有關;具體齡期時的混凝土彈性模量則是齡期28d混凝土彈性模量的冪函數[4]。

在計算大體積混凝土應力場時,可將混凝土徐變作用簡化為常規算法所得出的溫度應力與應力松弛系數的乘積。應力松弛系數按照表2規定取值。

表2 應力松弛系數取值

3 計算結果及分析

3.1 混凝土入倉溫度

穿渠倒虹吸結構物混凝土溫度變化受混凝土入倉溫度的影響較大,通過入倉溫度的控制加強施工期溫控防裂。為此,必須設計出不同的入倉溫度,分析其對倒虹吸施工期混凝土溫度及應力的影響規律。在倒虹吸管身段長度向正中央部位設置特征位置,特征點高度位于底板和邊墻分倉面0.2m處。特征位置水平拉應力變化值見表3。根據表中結果,特征位置水平拉應力隨著混凝土齡期的延長及入倉溫度的升高,均呈增大趨勢;當混凝土入倉溫度在26℃及以下時不同齡期混凝土水平向拉應力值均位于《水工混凝土施工規范》所規定的限值以內,故該穿渠倒虹吸結構物混凝土入倉溫度≥26℃,以降低水工混凝土發生溫度裂縫的風險。

表3 特征位置水平拉應力 MPa

3.2 表面保溫措施

在水化熱的作用下澆筑完成的混凝土內部溫度快速升高。當施工期間溫度較低或溫度變化幅度大,則混凝土結構溫度場分布不均勻引發的溫度應力必將加速溫度裂縫的出現。為研究保溫措施對混凝土結構應力變化的影響,設置出不同的表面放熱系數,以模擬無風不保溫、二級風不保溫、五級風不保溫以及棉被保溫、紙板保溫等不同情況下混凝土應力變化趨勢。不同保溫狀態下特征位置水平拉應力模擬結果見表4。無論是否采取保溫措施,混凝土澆筑施工期后期拉應力呈減小趨勢;但隨著養護齡期的延長,拉應力呈先增后降的變化趨勢:在養護齡期達到25d時迎來拉應力增長峰值,在25～40d期間拉應力下降,此后則緩慢升高。在棉被保溫的情況下,應力變化曲線最為緩和,為此筆者建議,應當采用棉被覆蓋保溫與混凝土內部冷卻水管配合的降溫措施,避免以內外溫差過大而加速溫度裂縫的出現[5-7]。

表4 不同保溫狀態特征位置水平拉應力 MPa

3.3 澆筑季節

施工季節及環境溫度也是影響混凝土溫度裂縫的重要方面,選擇不同的澆筑施工季節會導致混凝土澆筑期內經歷不同的氣溫變化,進而引起混凝土水平拉應力的變化。不同澆筑季節特征位置水平拉應力取值見表5,分別以4月10日、7月2日、10月25日和1月5日代表春夏秋冬4個季節。根據表中結果,1月5日(冬季)澆筑混凝土施工時特征位置水平拉應力最小,而7月2日(夏季)澆筑混凝土施工時特征位置水平拉應力最大;春季和秋季是加強混凝土溫度裂縫控制的較好時機;避開冬季,在春秋季施工期間,采取表面保溫和內部冷卻相結合的溫控措施,減小混凝土結構內外溫差,可起到有效的混凝土水平拉應力水平控制效果;在冬季溫控較好的基礎上,進入夏季環境溫度升高后,混凝土則主要表現出受壓應力,出現溫度裂縫的可能性大大增加。

表5 不同澆筑季節特征位置水平拉應力 MPa

3.4 裂縫的演化規律

為驗證文章所得出的穿渠倒虹吸大體積混凝土溫控防裂措施的有效性,通過三維配筋混凝土實體單元展開工程倒虹吸管體實際運行情況模擬,并采用改進后的Wliiiam Warnke五參數破壞面開裂準則及混凝土彈塑性本構關系,展開不同工況下裂縫演變趨勢規律分析。根據分析結果,在受到工況1溫度荷載作用后,穿渠倒虹吸管體在溫度荷載達到20%時,管段中墻中線和頂板中線交匯處出現首道裂縫,分析原因發現,管段中墻上部混凝土體積過大,內部熱量無法順利散出;上部頂板及箱形孔表面和外界接觸,溫度散失快,故混凝土內部出現較大溫度梯度和拉應力。這種溫度梯度及拉應力均隨水化熱的持續增加而增大,最終引發裂縫從初始出現位置開始,逐漸貫穿整個倒虹吸箱涵結構。

在受到工況2溫度荷載作用后,穿渠倒虹吸管段混凝土養護的中后期僅底板處出現微小裂縫,其余部位均無裂縫出現,分析原因發現,倒虹吸底部為剛性約束條件,管體和墊層間屬于彈性接觸和柔性邊界,發生裂縫的概率較小。

通過以上對該導托渠改擴建渠道倒虹吸管體在不同工況下裂縫演變趨勢規律的模擬分析,驗證了文章所實施溫控防裂措施的有效性。

4 結 論

綜上所述,混凝土入倉溫度、保溫措施及澆筑季節等均對穿渠倒虹吸水工建筑物大體積混凝土溫度裂縫的產生有較大影響,通過文章分析得知,將施工時混凝土入倉溫度分別控制在20～26℃之間,避開冬季并選擇春季或秋季氣溫較低環境澆筑混凝土并采取外部覆蓋保溫、內部通水冷卻的組合溫控措施等,均能較好地起到混凝土溫控防裂效果。本工程將穿渠倒虹吸混凝土澆筑施工期安排在4月份進行,并采取外部覆蓋保溫板+內部敷設冷卻水管的組合溫控措施,工后檢測結果顯示,倒虹吸大體積混凝土僅出現個別微小裂縫,溫控防裂效果較好。