超大体积薄壁混凝土二次浇筑施工温控防限裂技术

蒋俊峰

摘 要：牤牛河南支渡槽采用C50高性能混凝土，发热速度快，发热量高。渡槽一旦出现表面裂缝或贯穿性裂缝，将会对其结构的整体性、安全性、抗渗性和耐久性造成很大的影响，因此，必须采取措施控制渡槽混凝土的温度应力，以有效防止裂缝，保证工程质量。为之，对该工程大体积混凝土施工温度控制进行了研究，通过本次仿真计算，遴选不同月份施工时渡槽混凝土的温控措施及温度控制指标，以指导施工，达到渡槽混凝土施工期防裂的目的。

关键词：大体积混凝土 温度控制 施工方案 数值分析

中图分类号：U44 文献标志码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0084-05

1 工程概况

1.1 南水北调中线一期牤牛河南支渡槽工程概况

1.1.1 牤牛河南支渡槽工程概况

南水北调中线一期总干渠漳河北～古运河南中线建管局直管工程牤牛河南支渡槽由退水闸、进口节制闸、渡槽、出口检修闸组成综合枢纽工程，起点桩号29+304，终点桩号29+728其中：槽身段起点桩号29+386 m，终点桩号29+626 m，共分8跨，单跨长30 m，全长240 m。渡槽上部槽身为三槽一联带拉杆预力钢筋混凝土梁式矩形槽。槽身宽度24.3 m，上部翼缘外侧宽度25.5 m。槽身过水断面尺寸7.0 m（宽）×6.5 m（高）×3槽，槽内设计水深5.55 m，加大水深6.11 m，渡槽纵坡i=1/3550。30 m跨单槽断面尺寸为7.0×6.5 m，边墙厚0.6 m，顶部设2.7 m宽人行道板；中墙厚0.7 m，顶部设3.0 m宽的人行道板。后浇带设置在各跨槽身两端，宽0.58 m。槽身现浇混凝土10586.6 m3，钢筋制安906.2 t，预力钢筋制安383.9 t，预力钢绞线制安295.5 t。其工程量见表1所示。

1.1.2 牤牛河南支渡槽工程气象条件

牤牛河南支渡槽地处暖温带大陆性季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。年平均气温13.1 ℃，年内气温变化明显。一月份多年平均气温-2.3 ℃，极端最低气温为-19 ℃；七月份多年平均气温26.5 ℃，极端最高气温42.3℃。

牤牛河南支渡槽地处暖温带大陆性季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。年平均气温13.1 ℃，年内气温变化明显。一月份多年平均气温-2.3 ℃，极端最低气温为-19 ℃；七月份多年平均气温26.5 ℃，极端最高气温42.3 ℃。

2 牤牛河南支渡槽施工期温控数值模拟

牤牛河南支渡槽采用C50高性能混凝土，发热速度快，发热量高。对于槽身底板、侧墙、纵梁和横梁等薄壁结构，在浇筑早期容易出现较大的内外温差，导致表面产生较大拉应力，如果此时再有寒潮出现，极易产生“由外而内”的表面裂缝，并可能进而发展成为贯穿性裂缝。渡槽一旦出现表面裂缝或贯穿性裂缝，将会对其结构的整体性、安全性、抗渗性和耐久性造成很大的影响，因此，必须采取措施控制渡槽混凝土的温度应力，以有效防止裂缝，保证工程质量。

2.1 计算模型

计算整体坐标系坐标原点位于渡槽端部纵边梁底部外侧端点以外0.6 m处，与边墙走廊的外侧端点在同一垂线上。x轴正向为从跨端流向跨中方向；y轴为垂直水流方向，正向为边墙指向中墙；z轴正向为铅直向上（整体坐标系见图1所示）。

由于对称，取单跨渡槽的1/4作为分析对象，计算模型采用等参8结点六面体空间单元，共计划分9680单元，14451结点。温度场计算中：渡槽对称面作为绝热面，施加绝热边界条件，其余各面都与空气接触，此边界上存在与空气的热对流，属于热分析中的第三类边界条件，在应力场仿真计算时，考虑到施工过程中，漕身混凝土底面采用满堂支架支撑。

2.2 有熱源混凝土结构不稳定温度场分析原理

在渡槽混凝土施工期，由于水泥水化热的作用，混凝土的温度将随时间而变化。这个问题为具有内部热源的热传导问题。由热传导理论，这种不稳定温度场T（x，y，z，τ）在区域R内应满足下列方程不稳定温度场的热传导方程，热传导问题等价于下列泛函的极值问题：

（1）

用有限单元法求解不稳定温度场有显式解法和隐式解法两种方法，两者的区别在于对单元区域内泛函（1）中的处理不同，显式解法认为当单元充分小时，可近似假定在单元内均匀分布，而隐式解法令：

（2）

由此导致两者在时间域上的差分也不同。显式解法可根据未知结点上一时刻本身及所有相关结点的温度值直接得到当前时刻的值，而隐式解法需要求解联立的线性方程组。因此，本报告计算使用的程序采用隐式解法，进一步求得：

（3）

把（3）代入（4）中，得到

（4）

通过对空间不稳定温度场的时间离散和空间离散，得到大坝不稳定温度场有限元计算的控制方程：

（5）

在上式中，、是已知的，而是未知量，因此上式是关于的线性方程组，解之，即得到各结点在时的温度。

2.3 水工混凝土结构温度场及徐变应力场三维计算程序

计算使用的温度场及徐变应力场三维计算程序用ansys大型软件，主要特点为：（1） 具有良好的商用有限元分析软件的数据前处理接口。（2）能够模拟混凝土建筑物的实际施工过程和运行过程，可以考虑混凝土浇筑层数、计算网格、边界条件、材料参数、绝热温升过程都随计算时间的变化。（3）能够模拟浇筑温度、水管冷却（一期冷却及二期冷却）、层面流水、越冬面底部加温等不同温控措施的影响。（4）仿真计算过程时间步长的自动选取。对混凝土浇筑过程的实时模拟是仿真分析的重要内容。（5）实现了混凝土建筑物浇筑过程中边界条件的自动搜索及处理功能。当分析结构较为复杂时，较难处理的是伴随分层浇筑而引起的边界条件的不断变化。（6）提供多种单元类型并具有多种求解器，可利用微机进行大体积混凝土结构的仿真分析及一般结构应力与变形分析。

2.4 基本资料及计算边界条件

2.4.1 单跨渡槽的施工情况

单跨渡槽的施工情况如下：首先浇筑下层混凝土，包括纵梁、横梁及底板部分，下层混凝土浇筑到立墙“八”字墙以上60 cm，间歇10天内浇筑上层混凝土一直至顶。渡槽的可施工期为每年的3月份～11月份，12月份至次年2月份停浇。

2.4.2 计算采用的基本资料

磁县地区不同月份的多年月平均气温见表2所示。不同龄期混凝土的绝热温升用公式：来拟合，其中及d为常数，混凝土的绝热温升公式见表3所示。不同龄期混凝土弹性模量的公式用E=来拟合，其中、a、b为常数。混凝土的自身体积变形见表4所示。

混凝土的徐变度采用如下公式：

牤牛河南支渡槽混凝土不同龄期温度应力控制按下式进行：

（6）

其中：各种温差所产生的温度应力之和，MPa；混凝土极限拉伸值，重要工程须通过试验确定；混凝土弹性模量；安全系数，一般采用1.5～2.0；视工程重要性和开裂的危害性而定。

牤牛河南支渡槽工程安全系数取1.5。冷却水管参数见表5。不同保温材料参数表见表6。

2.4.3 仿真计算步长及采用的气温

仿真计算时段为开始施工以后30天，计算过程中采用的气温为旬平均气温。混凝土浇筑1天内计算步长取0.2天，浇筑后5天内计算步长取0.5天，浇筑后30天内计算步长取1天。因为渡槽可在3月份～11月份任何一个月内施工，因此，仿真计算按照每个可施工月份分别进行分析。

3 牤牛河南支渡槽施工期温控数值模拟结果分析

3.1 计算成果整理

计算成果的整理以典型点过程线统计表为主。为了分析渡槽不同部位混凝土内部及表面点温度及应力的变化规律，选取典型点绘制其施工期温度及应力变化过程线。通过上述成果整理形式，可有效总结不同部位混凝土的温度及应力变化规律。过程线整理选取有代表性的5个关键部位10个节点。

端部纵梁内外点：1#内部点坐标（2.5，8.9，1.7），2#表面点坐标（2.5，9.9，1.7）；横梁内外点，3#内部点坐标（1.23，12.75，1.7），4#表面点坐标（1.58，12.75，1.7）；底板内外点，5#内部点坐标（11.22，5.025，2.1），6#表面点坐标（11.22，5.025，2.3）；侧墙内外点，7#内部点坐标（11.22，8.9，7.55），8#表面点坐标（11.22，9.25，7.55）；靠近侧墙结合面上部的内外点，9#内部点坐标（11.22，8.9，4.7），10#表面点坐标（11.22，8.55，4.7）。新老混凝土结合面内点，11#内部点坐标（11.22，8.9，3）。各点所在位置示意图如图2、图3所示。

3.2 不同月份浇筑的渡槽混凝土温度及应力分析

选择9月为典型月份分析，单跨渡槽在9月份浇筑，假定9月10号浇筑完成下层混凝土，间歇10天后，再浇筑上层混凝土，两层混凝土浇筑温度取旬平均气温，混凝土外部贴2 cm苯板保温，侧墙和纵梁内通冷水管。纵梁、横梁、侧墙、底板、结合面混凝土内外温差变化规律见图4～图9所示，具体特征值见表7所示。

3.3 解决新老混凝土结合面附近应力过大问题的温控优化

从3月份～11月份的计算成果来看，在施工期的不同月份，新老混凝土附近的混凝土均存在顺水流方向水平应力σx超标现象，超标范围为结合面以上30 cm～2.0 m处。因此，对3月份～11月份浇筑的渡槽混凝土。解决的方法有两种：降低混凝土浇筑温度和通水冷却。结合工地现场的条件，降低混凝土的浇筑温度可能不易实现，因此主要研究通水冷却问题。

在浇筑第二层混凝土时，在侧墙内部布设冷却水管进行通水冷却，从结合面处向上30 cm布置第一层，向上每隔50 cm布置一层；冷却水管采用内径48 mm钢管，壁厚3 mm。冷却水温度6、7、8月份采用15 ℃冷水，其他月份采用12 ℃冷水，冷却通水时间3天，每12 h调换一次通水方向。对第二层侧墙混凝土通水以后，从新老混凝土结合面附近混凝土典型点温度变化过程线可以看出：3月施工通水后最高温度只有35.1℃；通水后最高温度出现在浇筑后1.0天。因为第二层侧墙混凝土最高温度的降低，结合面附近混凝土后期应力有了很大的消减。

4 牤牛河南支渡槽施工期温控操作工艺流程

根据牤牛河南支渡槽施工期温控防裂仿真研究结果和根据工程要求，渡槽混凝土温控仅对槽身混凝土展开，混凝土施工期温控工艺如下。

4.1 准备工作

鋼模板外贴聚乙烯苯板：为简化工艺流程和经济性的考虑，春夏秋冬季均外贴2.0 cm厚。

布置冷却管并检查密封性；为了控制新老混凝土结合面附近混凝土和纵梁内的最高温度和内外温差，必须在纵梁和每个隔墙的第二层混凝土中埋设冷却水管通水冷却，从混凝土新老混凝土结合面向上30 cm布置第一层，再向上每隔50 cm布置一层。对每个纵梁和隔墙（边墙及中墙）布置一根冷却水管在隔墙的中剖面，采用内径Φ48 mm钢管，壁厚3 mm。冷却水温度6、7、8月份采用15℃冷水，其他月份采用12 ℃冷水，冷却通水时间3天，每12 h调换一次通水方向，通水流速不小于1.20 m/s。考虑到在实际施工时，上述冷却水管布置的剖面与预应力管布置的剖面重合，因此，可以考虑在隔墙两侧布置两根内径Φ34 mm钢管，冷却水温度6、7、8月份采用15 ℃冷水，其他月份采用12 ℃冷水，冷却通水时间3天，每12 h调换一次通水方向，通水流速不小于1.20 m/s。通水时，应遵循“先通水后浇筑”的原则。由于C50混凝土前期1～2天内发热速度很快，发热量较高，为了充分利用水管通水削峰的效果，应在浇筑混凝土前提前进行通水。

准备好冷却水源、保温材料、水表、水泵等后续温控所需。现场按每个通水冷却工作面配一台LS100型的制冷机（41.868×104kJ/h），水温按要求控制。拌和用冷却水也采用LS100型的制冷机冷却，以满足拌制混凝土冷却水的需求。为了减小施工现场冷却水的“冷损”，建议采用300 m深井井水，用Φ100 mm的PE管埋入地表大于30 cm至施工现场，以满足现场冷却水的温度和流量需要。

4.2 混凝土入仓前

混凝土入仓温度控制在26 ℃。采用人工制冷水拌制混凝土，有关混凝土入仓前的出机口温度和入仓温度的控制方法请见相关规范。仿真分析显示夏季30 ℃的混凝土入仓温度对温差和应力水平有一定的影响，在特别困难的情况下不得超过此温度。

4.3 浇筑过程

要尽可能早地开始通冷却水，应采用“边浇筑边通水”的方式，且在开始时要满流量、大流速且低水温的方式通水。同时，在浇筑过程应注意调整好流量、流速和水温。

4.4 浇筑完成

（1）仓面保温：混凝土浇筑完成后，应立即对仓面采用聚乙烯苯板覆盖，且覆盖尽量严密，尤其四周不能留有太大空隙，应用重物（如砖头）压密，避免漏风。仓面保温持续8 d及以上。

（2）初始监测和记录：监测和记录内容包括浇筑完成时间、天气情况、气温、风速、水管流量（流速）、水温、混凝土各测点温度等数据和信息。

4.5 施工期

适时调整/改变水管通水过程：（1）在正常情况下，不同季节水管通水过程见表8所示。其中不同季节冷却水温度若采用地下水达不到要求，则应采用制冷水；（2）与温控指标相比，若超过温控指标，则在适当时刻加大通水力度（如降低冷却水温、增大流量等，以增大流量为主），若低于温控指标，则应适当减小通水力度。

拆模：拆模时间根据施工进度和模板周转需求合理确定，但需注意几点：（1）拆模时间不能过短，过短易出现早期的表面裂缝，夏季不少于3 d，冬季不少于6 d；（2）拆模后应尽快用一层毛毡覆盖，覆盖7 d以上；（3）拆模后及时检查表面是否开裂，做到边拆模边检查边覆盖；（4）拆模时机选择在日气温的较高时间段，例如高温天气的下午14：00时附近；（5）拆模的定义为松模瞬间，考虑松模到拆掉模板需要较长时间，而这段时间的养护非常关键。

掀除表面保温：为了便于施工，不同结构采用相同保温力度。需要指出，在掀除表面保温后，应每隔一段时间检查表面开裂情况，并及时反馈。

基于现场监测数据分析表明，施工过程中，通过温度控制，墙身上部表面受压，应力变化较缓，中部先受压后受拉且应力变化较快，下部应力水平始终较低，老混凝土受压增大。全部测点应力均无高于1 MPa的拉应力，满足混凝土早期抗拉要求。

5 结论

牤牛河南支渡槽采用C50高性能混凝土，发热速度快，发热量高。对于槽身底板、侧墙、纵梁和横梁等薄壁结构，在浇筑早期容易出现较大的内外温差，导致表面产生较大拉应力，如果此时再有寒潮出现，极易产生“由外而内”的表面裂缝，并可能进而发展成为贯穿性裂缝。

渡槽一旦出现表面裂缝或贯穿性裂缝，将会对其结构的整体性、安全性、抗渗性和耐久性造成很大的影响，因此，必须采取措施控制渡槽混凝土的温度应力，以有效防止裂缝，保证工程质量。本次仿真计算的目的旨在遴选不同月份施工时渡槽混凝土的温控措施及温度控制指标，以指导施工，达到渡槽混凝土施工期防裂的目的。

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