海底隧道大体积混凝土温度场及温度应力有限元分析

方忠强，赵延喜

（1.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京210014；2.南京工程学院，江苏 南京211167）

0 引言

大体积混凝土是指结构物实体最小几何尺寸不小于1m 的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。大体积混凝土在浇筑过程中，往往会散发大量水化热，如果温度控制措施不当，极易产生温度裂缝，进而影响工程的结构安全和运营安全。通过对国内外工程案例的分析可知，防止混凝土温度裂缝的关键在于温度控制和温度应力控制。而大体积混凝土由于体积庞大，浇筑工艺复杂，其温度裂缝控制一直以来都是一项技术难题。

从已有文献[1-10]来看，目前对于大体积混凝土的温度计算主要采用经验公式进行，未考虑混凝土内部温度分布的不均匀性和不连续性，难以反映工程实际情况。如朱为勇等[11]从热传导的基本原理出发，分析了混凝土的边值条件以及大体积混凝土浇筑后的温度变化情况。孙蔚[12]利用有限元分析软件对大体积混凝土温度场和温度应力分布进行了简要分析。张立[13]提出了大体积混凝土温度控制的工程算法，用以求解大体积混凝土在固化过程中不同时刻的温度分布。季强等[14-16]提出了一个大体积混凝土温度场应力场三维有限元计算列式，编制了大体积混凝土三维温度场和应力场计算程序。本文结合厦门南港海隧道大体积混凝土结构，将瞬态温度场理论和热应力理论引入有限元计算，对该大体积混凝土温度场和温度应力进行分析，并提出相应的控制措施。

1 工程概况

南港海隧道是厦门翔安机场快速路的一部分，北接翔安区，南至大嶝岛，隧道全长约2 060m，采用围堰明挖法施工，主线为双向八车道，并设有地下匝道，隧道横断面布置如图1所示。

图1 隧道横断面布置图（单位：cm）

从结构受力来看，本工程有以下几个特点。

（1）结构跨度大。主线隧道净跨度达16.3m，主线与匝道分合流处净跨度达25m，为国内最大跨度海底隧道。

（2）水头压力高。作用在隧道底板上的最大水头高达23.7m，作用在隧道顶板上的最大水头高达13.4m。

（3）结构埋深大。隧道在海堤处顶板最大覆土厚度达9.6m。综合以上几方面原因，隧道主线结构厚度均大于1.0m，最大厚度达1.8m，为典型的大体积混凝土结构。

（4）防渗及耐久性要求高。隧道建成后将长期埋置于海底，处于海洋环境，海水对钢筋混凝土具有较强的腐蚀作用，而且隧道施工和运营过程中难免会出现裂缝，一旦结构发生开裂、腐蚀，将对结构安全产生不利影响，危及隧道和行车安全。

2 大体积混凝土温度应力理论

大体积混凝土温度场的计算一般按热传导原理进行，在计算时，可将混凝土视为连续介质的瞬态温度场，根据三维非稳态导热方程来求解，其导热方程为：

式中：T为混凝土浇筑时的瞬时温度；λ为混凝土导热系数；c为比热；γ为混凝土容重；q为混凝土水化热生热率；t为龄期。

求出温度场T(x,y,z,t)之后，可根据弹性理论求得大体积混凝土各部位的热应力。本文采用增量法计算温度应力，其公式为：

式中：σ为温度应力；α为线膨胀系数；E为弹性模量；T为混凝土温度；μ为泊松比；K为应力松弛系数。

3 数值模拟

3.1 计算过程

本次热分析基于能量守恒原理的热平衡方程进行研究，采用瞬态热分析计算温度场，并将温度场作为热荷载进行热应力分析。温度场的模拟主要过程如下。

（1）前处理和建模

对于大体积混凝土，计算时选用三维实体热分析单元Solid70。求解瞬态传热问题时，需要同时定义导热系数、密度和比热，并编制相应程序。

（2）有限元求解

定义初始条件，如模型的初始温度。定义边界条件，将热量作为面荷载施加于实体的表面。

（3）查看结果

计算完成后，可以在通用后处理器中观察温度分布云图、温度变化曲线以及相应的列表数据。

3.2 计算模型

计算模型如图2所示，采用三维实体建模，横截面为双孔一管廊形式，顶底板厚度为1.8m，侧墙厚度为1.8m，混凝土采用C50，分层浇筑。

图2 有限元计算模型

3.3 计算结果

（1）温度场分析

选取单位长度结构进行分析，温度场变化如图3所示。

图3 隧道浇筑后温度场变化图

从图3中可以看出，由于混凝土体积较大，隧道顶、底板及侧墙混凝土水化热很大，混凝土板中心温度最高，向边缘逐渐递减。板中心最高温度达到65℃，结构内外温差最大超过25℃。隧道结构在如此温差之下，极易产生温度应力，进而引起温度裂缝，对安全和耐久性都极为不利。

（2）温度应力分析

为了分析温度场变化引起的温度应力，对混凝土结构内力进行模拟计算。结构内部水平方向和垂直方向内力变化分别如图4、图5所示。

图4 隧道结构水平方向温度应力图

图5 隧道结构垂直方向温度应力图

从图4、图5 可以看出，由于混凝土内外温度差异，隧道结构在混凝土内部产生很大压应力，而表面产生拉应力。水平方向隧道表面拉应力最大达3 615kPa，垂直方向隧道表面拉应力最大达3 052kPa，C50混凝土结构轴心抗拉强度为2 640kPa。本案例中，隧道表面混凝土拉应力已经超过轴心抗拉强度，需要采取措施以控制混凝土温度裂缝。

3.4 对策措施

为有效地控制有害裂缝的出现和发展，从控制混凝土的水化升温、延缓降温速度、减小混凝土收缩、提高混凝土的极限拉伸强度、改善约束条件和设计构造等方面考虑采取相应措施。

（1）采用低水化热水泥，通过掺入粉煤灰、硅粉、磨细高炉碴粉中的两种或三种掺料代替水泥，控制水化热升降温速度。

（2）改善约束条件，削减温度应力。分层浇筑混凝土，每层厚度为30～50cm，合理设置水平或垂直施工缝。

（3）降低混凝土入模温度，选择较适宜的气温浇筑混凝土，混凝土运输过程中也要架设遮阳设施，以降低混凝土入模温度，必要时采取措施降低水温能有效降低混凝土的温度。掺加相应的缓凝型减水剂，以提高混凝土的综合性能。

（4）加强施工中的温度控制。在混凝土浇筑后，采用土工布覆盖保湿养护。规定合理的拆模时间，延长降温时间和加快降温速度。加强测量和温度监测与管理，随时控制混凝土内的温度变化，及时调整保温及养护措施。

（5）在大体积混凝土内设置温度配筋，在截面突变和转折处底板、中墙、顶板与墙转折处、孔洞转角及周边增加斜向构造配筋，以改善应力集中，防止裂缝的出现。

（6）在混凝土中植入冷水管，循环通冷水冷却。

（7）根据施工期的特点和防裂要求，确定隧道不同部位、不同时段、不同季节的温控标准。

4 结论

（1）采用有限元法模拟大体积混凝土温度场的计算结果表明，有限元法能够有效地模拟大体积混凝土在温度场作用下的应力发展过程，计算结果符合大体积混凝土浇筑过程中的温度应力分布规律。

（2）从温度场的分布规律来看，在不采取温控措施的情况下，混凝土板中心温度最高，向边缘逐渐递减。顶底板中心最高温度达到65℃，结构内外温差最大超过25℃，超过了温差的极限。同时混凝土表面混凝土拉应力已经超过轴心抗拉强度。

（3）为有效地控制裂缝的出现和发展，从控制混凝土的水化升温、延缓降温速度、减小混凝土收缩等方面，提出了减小温度应力的应对措施。实践表明，这些温控措施可以达到降温防裂的效果。

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