高强度混凝土渡槽夏季施工防裂措施研究

张 杨，邬爱清，何 磊

（1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 225009；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；3.西南电力设计院，成都 610021）

高强度混凝土渡槽夏季施工防裂措施研究

张 杨1，邬爱清2，何 磊3

（1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 225009；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；3.西南电力设计院，成都 610021）

高强度混凝土渡槽结构承载能力高，但水化放热量也大，在夏季浇筑时混凝土温控防裂难度较大。采用非稳定温度场及应力场的有限元计算方法，对夏季施工的典型渡槽结构进行了施工过程的仿真计算。根据不同工况的温度场和应力场计算结果，分析了易裂部位的开裂原因，提出了相应的水管冷却和表面保温措施，可为类似高强度混凝土结构的设计和施工提供有益的参考。

渡槽；高强度混凝土；温控防裂；有限元

1 研究意义与目的

迄今为止，国内大部分薄壁结构的水利工程在施工期都会出现或多或少的混凝土裂缝：表层裂缝或贯穿裂缝。前者影响建筑物的美观和使用寿命，后者若出现在关键部位［1，2］则会危及到建筑物的安全。深入探究，此类工程长期受到混凝土开裂问题困扰的原因，在于混凝土裂缝成因和抗裂技术始终没有很好地被工程界所认识和掌握。目前在建工程中有很多薄壁结构，且相当一部分采用高强度混凝土，虽然强度较高，但因为水泥用量大，水化发热量也明显大于一般的薄壁类结构，再加上常常在高温季节施工，其施工期的温度裂缝控制问题比一般混凝土结构更加麻烦［3，4］。因此，对工程中的薄壁结构应加强质量控制，做好温控防裂工作，确保工程的建设质量、安全性和使用寿命。

本文基于非稳定温度场和应力场计算的有限元方法，对某高强度混凝土渡槽的夏季施工过程进行了仿真计算，分析计算结果，探索开裂机理，提出了施工期技术上可行、经济上合理的防裂措施，并收到了较好的效果。

2 计算方法

采用非稳定温度场和应力场有限元计算方法，对高强度混凝土结构进行施工过程模拟。仿真计算中考虑的主要影响因素有：混凝土自生体积变形、徐变变形、温度变形、混凝土自重、结构施工分层、浇筑层间歇、施工顺序、施工时段、气温（年温度变化、月温度变化以及昼夜温度变化）、寒潮冷击、风速、表面保温措施、内部水管冷却降温措施、模板种类、拆模时间等等。

3 渡槽结构的基本资料

3.1 气温资料

渡槽所在地属暖温带大陆性季风气候区，多年各月平均气温在仿真计算时拟合为

式中t为月份。

3.2 混凝土热力学参数

槽身采用C50W6F200高性能混凝土，其主要热学参数如表1。

表1 混凝土热学性能试验结果（试件养护28 d）Table 1 Thermal parameters of the concrete

根据试验绝热温升数据，初始计算绝热温升的表达式为

渡槽施工中使用钢模板，保温材料用塑料泡沫板和土工膜。塑料泡沫板用于外贴在钢模板的外表面，土工膜用于铺盖在浇筑仓面，其热学参数可以通过试验和反演获得［5］。

根据试验数据拟合C50W6F200混凝土的抗拉强度，拟合公式为本文中的允许抗拉强度是抗拉强度除以1.65的安全系数。

混凝土自生体积变形为

3.3 混凝土浇筑方案

渡槽整体结构混凝土的施工进度安排如图1所示，共分为2个浇筑层。第一层混凝土为底板连同倒角以上0.2 m一块浇筑，其上为第二层。

图1 槽身混凝土分两层浇筑的施工计划Fig.1 Schedule of pouring concrete in two layers of the aqueduct

4 计算模型及特征点布置

4.1 计算模型

槽身段长120 m，槽身结构形式为跨度30 m的预应力双孔矩形槽，两端简支，槽身共2孔，每孔净宽6.0 m，侧墙净高4.6 m。槽身横向加肋，顶部设拉杆，中心间距为2.45 m。仿真计算以一跨30 m的槽身为研究对象，计算模型如图2所示。计算中直角坐标系定为：坐标原点选在渡槽中墩的对称面上，x轴为沿渡槽水流方向，y轴为垂直于水流方向，z轴为垂直向上。x＝15.0 m处为x方向的中间面，y＝0.0 m处为y方向的对称面。

图2 仿真计算有限元网格Fig.2 Finite elementmesh for the simulation

4.2 水管及特征点布置

考虑到渡槽主梁的结构尺寸相对较大，在每根主梁内沿纵向埋设2排冷却水管，水管布置如图3所示。

图3 主梁水管布置Fig.3 Layout of pipes in themain girder

工况计算分析中涉及的各特征点在计算模型中的具体位置如图4所示。

图4 槽身特征点布置Fig.4 Layout of typical points on the aqueduct body

其中特征点1，2为底板的中心点和表面点，特征点3，4为槽身混凝土结构尺寸最大的主梁的中心点和表面点，特征点5－10为槽身中墙上3个不同高程的中心点和表面点；特征点11，12为顶板中心点和表面点。

5 计算工况与结果分析

在渡槽结构中，混凝土的应力状态是众多影响因素共同作用的结果，但温控防裂的关键在于施工期各部位混凝土的应力分布情况及所承受的最大拉应力的大小。本文提供了2个典型计算工况，并给出具体分析（计算结果中以第一主应力σ1来分析）。

工况1的计算条件：按照施工计划，混凝土开始浇筑时间为7月1日。施工现场采用钢模板，侧模7 d拆模，槽身承重模板和支架按规范要求，约30 d拆摸。浇筑温度在日均气温的基础上加5℃，混凝土刚浇筑3 d内考虑±7.5℃的昼夜温差。

工况2的计算条件：在工况1的基础上，每根主梁内部埋设2根铁质水管，混凝土浇筑后通20.0℃的冷却水对主梁内部进行导热降温，通水时间为3 d。第二层混凝土施工完后，在仓面覆盖一层土工膜进行保温，保温时间为5 d。

5.1 工况1温度场与应力场计算结果分析

由于在夏季施工，环境温度高，混凝土的浇筑温度高且相对其它季节散热慢。由图5可见：主梁中心特征点3在浇筑完毕后2 d，温度达峰值73.41℃；特征点4位于主梁表面，浇筑完毕1.75 d，温度达峰值56.2℃。主梁的最大内外温差发生在混凝土浇筑后2.25 d，为33.74℃，这样大的内外温差很容易导致早期混凝土表面开裂。

图5 工况1特征点3，4的温度历时曲线Fig.5 Time-history curves of temperature at point 3 and 4 in case 1

第二层混凝土的浇筑时间为7月下旬，浇筑温度比第一层要相对低一些。墙体中间高程中心点和表面点在混凝土浇筑后1.75 d，温度分别达峰值，分别为53.97℃，43.30℃。由图6可以看出，顶板中心特征点11在混凝土浇筑后1.75 d温度达峰值，为54.82℃，由于昼夜温差的影响，最大内外温差发生在混凝土浇筑后1.5 d，为13.55℃。

图6 工况1特征点11，12的温度历时曲线Fig.6 Time-history curves of temperature at point 11 and 12 in case 1

从第一层混凝土典型点的应力历时曲线来看，由于仿真计算中考虑了±7.5℃昼夜温差的作用，底板表面特征点2在第一层混凝土浇筑后1.5 d拉应力达1.36 MPa，比当时的允许抗拉强度超出了0.2 MPa，但小于混凝土材料的抗拉强度，有可能会出现早期的表面裂缝，在施工中应采取适当的温控措施。主梁部位早期的内外温差最大，因此在混凝土浇筑后的2.25 d，八字形倒角部位的特征点4的拉应力达2.68 MPa（见图7），超出了当时的抗拉强度0.38 MPa，该部位很可能出现早期表面裂缝。主梁内部特征点3在混凝土浇筑后的温升阶段受压，最大压应力达－1.18 MPa，此后随着混凝土龄期的增加，压应力逐渐转化为拉应力，同样由于加层后受上层混凝土热胀的影响，约在龄期22 d时出现最大拉应力3.56 MPa（见图7），比当时的允许抗拉强度大1.1 MPa。此后，混凝土温度趋于稳定，拉应力也稳定在2.0 MPa左右。

图7 工况1特征点3，4的应力历时曲线Fig.7 Time-history curves of stress at point 3 and 4 in case 1

第二层混凝土各特征点的应力大小和变化规律相似，早期中墙表面特征点8在混凝土浇筑后1.5 d应力达最大值，为1.15 MPa，小于当时允许抗拉强度，顶板表面特征点12在混凝土浇筑后1.5 d应力达最大，为1.30 MPa（见图8），比当时的允许抗拉强度大0.14 MPa。后期墙体混凝土内部的拉应力最大值发生在混凝土浇筑后6 d，达1.78 MPa，小于当时允许抗拉强度，顶板内部特征点11在后期的最大拉应力为1.93 MPa（见图8），也小于当时混凝土的允许抗拉强度。

图8 工况1特征点11，12的应力历时曲线Fig.8 Time-history curves of stress at point 11 and 12 in case 1

由以上分析可以看出：夏季浇筑若不采取任何温控措施，在主梁、墙体、顶板内部混凝土温度都很高，从而形成较大的内外温差和温降幅度，混凝土很容易出现裂缝。

5.2 工况2温度场计算结果分析

由图9可以看出：预埋水管通水冷却后，主梁内部混凝土的温度峰值大大降低，如主梁中心特征点3的温度由工况1中的73.41℃，降为39.30℃，消峰幅度为34.11℃。这一结果表明铁管具有很好的导热降温效果，大大降低了混凝土内部最高温度、早期的内外温差及后期的温降幅度，使得温度达峰值的时间提前了0.5 d（浇筑后1.5 d温度达峰值，）。通水3 d结束后，特征点3温度降至24.31℃，由于此时表面混凝土和外界气温的温度（约27.0℃）都高于该点的温度，所以通水结束后，温度回升2.0℃左右，说明对主梁通水3d的时间是比较恰当的。

图9 工况2特征点3，4的温度历时曲线Fig.9 Time-history curves of temperature at point 3 and 4 in case 2

由于顶板表面覆盖了一层土工膜，因此，顶板中心特征点11的最高温度较工况1有所上升。第二层混凝土浇筑后1.75 d到达峰值57.49℃（见图10），比工况1上升了2.59℃。

图10 工况2特征点11，12的温度历时曲线Fig.10 Time-history curves of temperature at point 11 and 12 in case 2

5.3 工况2应力场计算结果分析

由于冷却水管的作用，主梁早期内外温差较小。与此相对应，由图11可以看出，八字形倒角处的特征点4在混凝土浇筑后的1.25 d拉应力达最大值，为0.97 MPa，略小于当时混凝土的允许抗拉强度，和工况1相比，该点的应力大大减小。随着通水的继续，1.5 d以后混凝土内外温度都开始下降，但内部混凝土的温降速度要快于表面混凝土，因此表面拉应力开始减小并逐渐转化为压应力，内部混凝土开始呈拉应力。此后，混凝土温度回升至环境温度，拉应力和压应力都减小，并保持平稳状态。

图11 工况2特征点3，4的应力历时曲线Fig.11 Time-history curves of stress at point 3 and 4 in case 2

布置在主梁内部的冷却水管对底板的早期应力也产生一定的影响。底板表面特征点2早期的最大拉应力为0.80 MPa，小于当时混凝土的允许抗拉强度1.06 MPa，比工况1减小了0.42 MPa；内部特征点1的最大拉应力为2.13 MPa，小于当时混凝土的允许抗拉强度2.45 MPa。由于第二层混凝土浇筑后在顶板表面覆盖一层土工膜进行保温，使得早期混凝土的内外温差减小，因此早期顶板表面特征点12的应力最大为1.14 MPa，略小于当时的抗拉强度。由于保温作用使得内部11号特征点的后期最大拉应力为2.10 MPa，比工况1大0.17 MPa，但仍小于当时的允许抗拉强度（见图12）。

图12 工况2特征点11，12的应力历时曲线Fig.12 Time-history curves of stress at point 11 and 12 in case 2

通过以上分析，可得出以下结论：在主梁内部埋设冷却水管和在顶板浇筑仓面覆盖一层土工膜保温后，早期和后期应力状态得到显著的改善；由于昼夜温差的影响，墙体表面的早期拉应力和相应龄期的允许抗拉强度很接近，同样需要注意混凝土早期的养护工作。

6 结论与建议

对夏季施工的高性能混凝土渡槽，通过三维非稳定温度场与应力场的仿真计算及结果分析，可得出以下结论：

（1）夏季施工若不采取任何温控措施，高强度渡槽结构主梁内部最高温度达73.0℃，墙体内部最高温度达53.0℃，顶板中心达54.0℃，尤为不利的是主梁的最大内外温差高达33.0℃。施工期混凝土极易开裂。

（2）在主梁内部埋设2根铁质冷却水管，混凝土浇筑后立即通20.0℃的冷却水，冷却时间为3 d，每0.5 d换向一次，同时在顶板上表面覆盖一层土工膜保温。采取上述措施后，主梁内部温度峰值大大降低，为39.0℃，削峰效果明显，且应力计算结果表明：底板、主梁、顶板的早期和后期应力均控制在安全的范围内。

（3）从本工程的计算结果来看，渡槽工程混凝土的早期开裂主要是由于混凝土早期内外温差太大所致，后期开裂主要是由于混凝土温降收缩和自生体积收缩共同作用所致。

［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.（MA Yue-feng，ZHU Yue-ming，CAO Wei-min，et al.Effect of Internal Cooling Pipes and External Heat Preservation on Prevention from Concrete Cracking During Construction of Sluice Pier［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2006，37（8）：963－968.（in Chinese））

［2］ 傅晓松.恰克拉克跨河渡槽侧墙混凝土产生裂缝的原因及处理办法［J］.水利科技与经济，2009，15（4）：362－363.（FU Xiao-song.Cause and Treatment Method of Cracking in Side Wall of the Qiakelake River-crossing Aqueduct［J］.Water Conservancy Science and Technology and Economy，2009，15（4）：362－363.（in Chinese））

［3］ 何 磊，朱岳明.水管冷却技术在高性能混凝土渡槽工程中的应用［J］.水电能源科学，2007，25（4）：97－100.（HE Lei，ZHU Yue-ming.Application of Pipe Cooling to Launder Project with High-performance Concrete During Construction［J］.Water Resources and Power，2007，25（4）：97－100.（in Chinese））

［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.（ZHU Yue-ming，XU Zhi-qing，HE Jin-ren，etal.A Calculation Method for Solving Temperature Field of Mass Concrete with Cooling Pipes［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，20（2）：19－22.（in Chinese））

［5］ 强 晟，朱岳明，许 朴，等.南水北调高性能混凝土温度边界条件的试验研究［J］.三峡大学学报，2008，30（3）：10－12.（QIANG Sheng，ZHU Yue-ming，XU Pu，et al.Experimental Study of Temperature Boundary Condition of High Performance Concrete for South-North Water Transfer Project［J］.Journal of China Three Gorges University（Natural Sciences），2008，30（3）：10－ 12.（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

Crack Prevention M easures for High Strength Concrete Aqueduct Constructed in Summer

ZHANG Yang1，WU Ai-qing2，HE Lei3
（1.School of Hydraulic Science and Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225009，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3.Southwest Electric Power Design Institute，Chengdu 610021，China）

In spite of high carrying capacity，it involves great difficulty to control the temperature and prevent cracking during the construction of high strength concrete aqueduct in summer because of high heat of hydration.The finite elementmethod for unsteady temperature field and stress field is applied to simulate the construction process in summer for a typical aqueduct structure.The cause of cracking at dangerous positions is analyzed based on the calculation results of temperature field and stress field in different cases.Corresponding measures of pipe cooling and surface thermal insulation are put forward，which will be beneficial for the design and construction of such high strength concrete structure.

aqueduct；high strength concrete；temperature control and crack prevention；finite elementmethod

TV315

：A

1001－5485（2011）09－0048－05

2011-03-18

张 杨（1979-），女，湖北襄阳人，博士，讲师，主要从事水工结构工程和岩土工程方面的教学与研究工作，（电话）13913007408（电子信箱）wwwzhangy＠163.com。