新型超长底板水闸混凝土结构施工期温控防裂研究

刘启波 魏林坚 强 晟 钟 锐

(1.广东省水利电力勘测设计研究院,广州 510635;2.河海大学水利水电学院,南京 210098)

随着国家对基础设施建设投入的加大,大量薄壁混凝土结构,正在或即将进行施工.在某些水利工程薄壁混凝土结构中还含有超长的底板和闸墩,根据经验,长闸墩一般受到底板混凝土的约束相对比较容易开裂,而在软基上建设的底板一般不易开裂.但在底板很长的情况下,不均匀沉降、温度等原因导致的应力很可能导致底板混凝土开裂.目前参建单位对不均匀沉降问题的关注程度较高,而温度荷载对结构的影响在薄壁类结构中目前还没有受到足够的重视.研究表明温度荷载是引起薄壁混凝土结构裂缝产生的重要因素,一些超长的结构中温度荷载的影响可能更大,容易引起裂缝出现.薄壁结构中的温度裂缝在混凝土不同龄期的产生机理不同,在混凝土早龄期的温升阶段由于内外温差较大而容易出现表面裂缝,到了温度峰值过后的温降阶段由于受基础温差影响而容易出现内部裂缝甚至贯穿性裂缝.表面裂缝对工程的美观性影响较大,在不利的条件下可能发展为深部裂缝、内部裂缝或贯穿性裂缝,严重影响工程的建设质量和耐久性[1-2].

水管冷却技术是目前大体积混凝土温控防裂中最常用和最有效的措施之一,其仿真计算方法已经比较成熟.经过对比研究,目前比较适合薄壁结构水管冷却计算的是冷却水管的离散模型[3].针对超长整体式底板结构的混凝土温度应力问题,本文在一般水闸基本裂缝成因的基础上,采用考虑冷却水管离散模型[4]的温度场应力场有限元仿真计算方法[5],研究了超长底板新型水闸结构混凝土的防裂方法.

1 新型超长底板水闸结构简介

对于沿海的河口水闸,工程任务往往以挡潮为主,兼顾排涝、泄洪、通航.这种新型的水闸结构只设1个通航孔,单孔净宽很大,具体结构形式详见图1～2.由于通航孔闸门跨度大,为避免闸室结构不均匀沉降对闸门产生不利影响,通航孔闸室需采用整体式结构.闸墩厚度较大,闸墩内部的上游侧布置楼梯,底板一般沿左右岸方向的长度很长,在底板上游侧设置检修廊道;廊道两侧布置冲淤泵房,为防止廊道内有积水,在廊道左侧冲淤泵房内设一集水井.河口水闸的地基一般较软,底板座落在桩基上,受到一定程度的约束,在设计和计算中需予以考虑.这种新型水闸结构在外江侧设闸门,闸门采用可提升式液压翻转式平板闸门,闸门敞开时下卧于底板上,闸门检修时提升至闸墩顶.启闭设备为液压启闭,布置于闸墩上.

2 施工期温控仿真分析

2.1 工程概况

近期建设的位于广东省某地的该类型水闸轴线总长110.14 m,水闸前缘总宽度68.00 m,单孔通航孔居中布置,单孔净宽60 m.闸墩长20m、宽4m、高9.88m,闸底板厚2～5 m,底板总长68m.这种混凝土水闸结构目前国内第一次出现,施工和运行过程中在长边方向均不设缝,从结构形式和尺寸来看,混凝土的温控防裂任务艰巨.

2.2 计算模型

计算方法采用考虑冷却水管离散模型的温度场和应力场有限元仿真计算方法.这种算法计算量较大,但精度较高,适用于精细模拟中小型结构的施工过程.为计算精确,在建立有限元模型时尽可能和工程实际相一致,模型中考虑了较大范围的地基以及混凝土中的冷却水管、施工分层.闸墩及底板表面附近温度受环境温度影响较大,且早期温度梯度和应力梯度大,故表层网格较密.含水管计算模型的单元和节点数分别为46648和53796个.网格如图3所示,网格内水管布置如图4所示.

2.3 计算条件

根据当地气温资料统计,多年月平均气温拟合为下式:

式中,t为月份.

施工在秋季进行,计算中在多年日均气温的基础上考虑10℃的昼夜温差.

根据提供的配合比资料,根据经验公式计算得到C25混凝土的热力学性能参数见表1.

表1 混凝土热力学参数

混凝土自生体积变形模型:

地基由浅到深分为3层,其主要力学参数见表2.

表2 地基主要力学指标建议值

2.4 计算结果分析

基于施工期薄壁混凝土结构的开裂机理,考虑到水闸结构形式和实际的施工条件,主要采取表面保温和内部降温相结合的防裂措施,模拟水闸秋季施工的过程.其底板和底板上的廊道层分开浇筑,间歇期约1周,然后继续浇筑上部闸墩.仿真计算结果如图5～8所示,分析时参考底板表面特征点D1、内部中心特征点D2、闸墩表面特征点B5、闸墩内部中心特征点B6的计算结果展开.

(1)温度计算结果分析

由于采取了保温措施,表面混凝土最高温度有一定升高,内部混凝土温度亦有所上升,但上升幅度明显小于表面混凝土.拆模前内外温差大幅下降.如图5(a)所示,底板中心表面D1号特征点1.5 d龄期时达最高温度36.98℃.由于采取了保温措施,表面混凝土基本不受昼夜温差影响,D1号特征点温度波动幅度极小(1.5℃左右).而内部D2号特征点2.5d龄期达到最高温度40.58℃,该部位混凝土最大内外温差5.45℃,相对较低.

如图6(a)所示,闸墩表面B5号特征点1.5 d龄期时达到最高温度37.03℃.内部B6号特征点3.0d龄期时达到最高温度43.35℃,比没有水管的情况明显降低;闸墩的最大内外温差8.40℃.

水管壁温度接近水温,管壁周围混凝土温度梯度较大,相邻两水管之间的混凝土温度较高,见图7(因底板太长,这里只给出了部分底板的等值线图).由于考虑了龄期前7d昼夜温差的影响,结构表面温度随气温波动,但波动幅度不大.

(2)应力计算结果分析

对各特征点历时曲线分析发现,表面保温及通水冷却后,不仅表面混凝土早期应力均小于允许抗拉强度,而且内部混凝土后期应力也降低,混凝土开裂的可能性降低.

如图5(b)所示,对于底板表面混凝土而言,中心表面D1号特征点22.0 d龄期时达到最大拉应力1.63MPa,小于相应时刻混凝土的允许抗拉强度1. 64MPa.对于底板内部混凝土而言,D2号特征点后期最大拉应力为1.28 MPa,小于相应时刻混凝土的允许抗拉强度1.72MPa.图8显示了底板龄期第3d时的第一主应力等值线图.

如图6(b)所示,对于闸墩表面混凝土,B5号特征点16.0d龄期时达到最大拉应力1.23MPa,小于相应时刻混凝土的允许抗拉强度1.60MPa.闸墩内部混凝土B6号特征点后期最大拉应力为0.77MPa,小于相应时刻混凝土的允许抗拉强度1.72MPa.

可见,采取适度表面保温及内部水管冷却的措施后,闸墩及底板开裂的可能性大大降低.

2.5 温控方案建议

在仿真计算基础上,结合现场实际情况以及混凝土热学和力学性能,提出主要温控措施如下.

(1)浇筑温度:采用自然入仓方式.

(2)表面保温:底板侧面钢模板外贴4.0 cm厚聚乙稀苯板,拆模后立即用一层4cm厚EPE混凝土保温被覆盖各临空面.底板上表面浇筑完后直接覆盖一层4cm厚EPE混凝土保温被.底板上游面保温直至廊道层浇筑后10d,其它临空面保温时间从底板浇筑完毕开始一直持续20d.廊道层顶面用4.0 cm厚的EPE保温被保温60d.廊道层侧面钢模板外贴4.0cm厚聚乙稀苯板,拆模后立即用一层4cm厚EPE保温被覆盖,拆模选在白天高温时间段,保温总时长60 d.闸墩保温方式同廊道层,闸墩保温直至其上层混凝土浇筑后10d.

(3)通水冷却:采用内径40 mm铁管,底板中单根水管进出口之间的长度不超过300m,廊道层和闸墩中单根水管进出口之间的长度不超过100m.底板内高度方向的中心布置1层冷却水管,水平距离1.0 m;在廊道层内廊道的下游侧和廊道的上部,水管布置密度为0.8m×0.8m(垂直距离×水平距离),在廊道上游侧水管布置密度为0.8m×0.6m(垂直距离×水平距离);闸墩的第1个到第3个浇筑层内水管布置密度为1.0m×0.8m(垂直距离×水平距离).采用河水冷却,浇筑开始时就通水;所有水管每12 h将水流方向换向一次.底板中单根水管流量为1.0 m3/h,通水5 d.廊道层和闸墩中单根水管流量为3.0m3/h,通水2 d.

3 结 语

在合理采用表面保温和内部降温的组合措施下,可以将早期内部最高温度控制在较低程度,且将内外温差控制在合理范围内.这样可以使得表面和内部应力均小于混凝土的允许抗拉强度,有利于防止早期和后期裂缝的产生.在研究成果的支持下,该新型结构的温控防裂方法已经得到初步实施,防裂效果达到预期目标.

(1)仿真计算结果表明,具有超长底板的薄壁混凝土结构的底板在长度方向上温度应力较大,这种新型结构的廊道层和闸墩还受到底板较强的约束,对于底板和廊道层混凝土,无论是早期内外温差还是后期的温降收缩,由温度导致的裂缝产生的几率比较高.

(2)表面保温结合内部水管降温是防止混凝土结构裂缝的有效措施.适度的表面保温可以防止产生早龄期的表面裂缝,冷却水管具有减小温度峰值和降低内外温差的双重温控效果,并可以节约控制浇筑温度的大量费用,相对而言该防裂措施投入低见效快.

(3)每种温控措施都有两面性,施工时要充分利用其正面效应而避免其负面效应.实践表明,为使工程安全可靠,有必要在施工前结合现场实际情况对工程进行多参数多工况的仿真计算分析,确定适时合理的保温措施和通水方式,制定相应的温控防裂方案.

[1] 马跃峰,朱岳明,曹为民,等.闸墩内部水管冷却和表面保温措施的抗裂作用研究[J].水利学报,2006,37(8): 963-968.

[2] 曹为民,吴 健,闪 黎.水闸闸墩温度及应力场仿真分析[J].河海大学学报,2002,30(5):48-52.

[3] 郭利霞,朱岳明,陆天石.混凝土水管冷却计算方法综述[J].三峡大学学报:自然科学版,2010,32(4):34-37.

[4] 朱岳明,徐之青,贺金仁,等.混凝土水管冷却温度场的计算方法[J].长江科学院院报,2003,20(2):19-22.

[5] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1998.