温度应力释放技术在三汊湾闸底板浇筑中的应用

周春建 张义军 曹学仁

（1.南京市水利建筑工程有限公司，江苏 南京 210000；2.江苏省水利厅，江苏 南京 210029）

三汊湾节制闸位于南京市六合区滁河主河道上，设计流量400 m3/s，共3 孔，每孔净宽12 m，设置3 扇直升平面钢闸门。闸身底板厚1.8 m，局部设置齿坎处厚2.4 m，持力层在▽0.2 m。施工期正值冬季，气温在－5℃～5℃。据规范规定，三汊湾闸基础底板浇筑时必须考虑温度应力影响，采取混凝土抗裂施工措施。传统的治理混凝土温度裂缝的思路是“抗”（“抗”不住再“修补”）：采用内部降温、外部保暖；加密钢筋、增设暗梁；掺入粉煤灰、减少水泥用量；掺入抗裂剂等措施，企盼将表层拉应力控制在极限应力之内。许多工程案例都证明用传统方法抗裂收效小，并不能从根本上解决问题，还得应对可能产生的自然温度裂缝而进行修补。温度应力不但与水泥品种、水灰比、混凝土标号有关，主要受内外温差影响，还与模板材质以及模板架构对混凝土的约束有关，因而温度应力一直是一个变数，使得温度裂缝防不胜防。从力学理论分析，温度裂缝的产生是一个力学现象，本质上是材料受超极限力作用而产生的一种破坏。纯质材料试件拉伸破坏后将一分为二，失去整体性。尽管混凝土构筑物局部产生温度裂缝后还有钢筋牵连着，没有完全失去整体性，修补后也不至于影响使用，但裂缝对构筑物伤害是毋庸置疑的，特别是贯穿裂缝。温度裂缝产生必须满足一定的力学条件，故从破坏产生温度裂缝的力学条件入手治理裂缝可从根本上杜绝产生温度裂缝。笔者结合三岔湾闸底板浇筑工程实例，介绍应力释放装置（以下亦称装置）在防治混凝土温度裂缝中的应用。

1 应力释放装置

随着混凝土龄期增长，弹性模量急剧增大（3 d 达到28 d 弹性模量的70%）。模板拆除后的3～5 d 内，表层收缩变形受到内部收缩变形不同步的约束愈来愈强，便产生了拉应变（ε）。当表层拉应变εi≥ε极时，便产生裂缝，这是混凝土温度裂缝形成的机理。从力学理论可知，裂缝产生的力学条件是εi≥ε极，而应力释放装置具有破坏εi≥ε极的功能。

1.1 装置构造

应力释放装置由应力集中楔和应力扩散环两部分组成，如图1。应力扩散环由白铁皮弯曲成Ω 形制作而成，圆环直径为Φ70，其双层叠合部位用建筑胶水泥浆封口，以防水泥浆浸入，但不影响自由分开。于开口部位间隔一定距离钻孔，以便用铁丝将其牢固绑扎在钢筋内侧。应力集中楔由木条刨制而成，安装时用铁丝将其绑扎在模板内侧与钢筋之间，其中心线与应力扩散环中心重合，以保证模板拆除后混凝土尖角处因应力集中产生的导控缝准确进入环内。

将垂直绑扎在钢筋上的应力扩散环下部置于混凝土垫层上，周边用水泥封固，以起到防水作用。本装置特点是制作简单、安装方便。混凝土表面凹槽修补和应力扩散环圆孔填实较为容易。

1.2 工作原理

混凝土表层埋设应力释放装置能生成浅层、规则的导控缝，释放表层拉应变能量，防止表层产生无序温度裂缝或贯穿缝。其原理大致分导控缝“生成、展开、终止”三个阶段：

1.2.1 导控缝生成

图1 应力释放装置

混凝土模板拆除后，由于气温变化使表层混凝土温度降低，又因风冷使表层失去水分而收缩，在其双重作用下，混凝土表层产生拉应变。因为凹槽尖角处应力集中，便首先在凹槽28°尖角处撕开，向内产生与装置中心线相吻合的导控裂缝。

1.2.2 导控缝展开

导控缝形成后表层拉应变能量得到释放，但导控缝裂隙处应力集中没有被解除。在应力集中作用下，导控缝向内透过钢筋继续展开，并使装置双层叠合部位分开，导控缝形成。

1.2.3 导控缝终止

经过阶段2，应力扩散环也随之张开。导控缝进入扩散环内，表层温度应力也得到了进一步缓解。因白铁皮圆孔孔壁具有弹性，局部集中应力得到扩散，温度导控缝随之终止。

2 三汊湾闸底板导控缝的设置

三汊湾闸底板长16 m，宽41.4 m，厚1.8 m，齿坎处局部厚2.4 m。底板平面2 个中墩和2 个边墩处平面和侧面插筋较密，间隙过小，不具备安装本装置条件，未加考虑。若把应用力学原理释放拉应变能量治理混凝土温度裂缝的技术定义为“应力释放”，则三汊湾闸底板的应力释放主要在平面和迎、背水立面两部分。因为基底为承载力较高的粘土层，未做任何基础处理，厚1.8 m 的底板刚度极大，10 cm 混凝土垫层对底板约束作用忽略不计，因而可假定底板在温度应力生成和消失过程中存在较高的自由度。应力释放设计时应综合考虑内外温差和模板外部约束作用。

2.1 应力释放设计

在平面上埋设东西向（顺水）6 道（每孔2 道，计3 个闸孔）、间距为3.6 m 的水平装置和南北向27 道、间距为4.0 m 的水平装置。在南北向迎、背水立面埋设纵向12 道、间距为6.9 m 的竖向装置。通过在立面和平面上做全方位应力释放，实现底板应力“松绑”，以杜绝发生无序自然温度裂缝。总体布置如图2。

2.1.1 平面布置和安装

将东西向埋设的水平装置绑扎在主受力钢筋（Φ25@100）的下侧，待混凝土浇筑完成后，再把应力集中楔对准轴线埋设到位。要求通长布置，管口外露，便于后期用细石混凝土从管口向内灌实（图3）。南北向27 道水平装置应绑扎在底板分布钢筋（Φ20@150）的下侧（详见图4），由于东西向通长设置，故南北向必须断开分段布设。为保证后期用混凝土填实，每节管口处都安装了方向朝上的45°白铁弯头。装置安装完成后，所有管口都用废纸卷堵口，以防浇筑时混凝土侵入堵塞。

2.1.2 迎、背水立面布置和安装

迎、背水立面均设置了水平止水，考虑到装置与止水铜片交叉，故将装置竖直布置在止水铜片以下，并接上45°白铁弯头，用废纸卷堵口，管口外伸紧贴模板，如图5。

2.1.3 导控缝间距L 选择

据导控缝间距公式：

式中：

d—导控缝宽度，取0.15。

k—能量分配系数，取0.05～0.15。

Δt—内外温差，取40。

α—混凝土温度变形系数，取值为1.0×10-5。

如：水平导控缝间距L=d÷（kαΔt）=0.15÷（0.1×10-5×40）=3750 mm，实取3600 mm 和4000 mm。

图2 底板装置布置图 单位：cm

图3 B-B 顺水流向水平装置安装图

图4 C-C 垂直水流向水平装置安装图

图5 A-A 竖向装置安装图

竖直导控缝间距L=d÷（kαΔt）=0.15÷（0.06×10-5×40）=6250 mm，实取6900 mm。

2.2 温升过程

混凝土浇筑前在底板纵横中心点分上、中、下和模板内、外侧共埋设了5 组温度传感器，以测定混凝土内部温度和大气温度。据实测记录，底板中心层第37 h 温度最高达37℃、气温-0.4℃，温升达37.4℃。模板内侧温度13℃，混凝土内外温差为24.0℃。5 d 拆除模板后混凝土内外温差也降至14.0℃。龄期到20 d 左右，底板中心层温差基本与气温持平。这个监测数据与两次试验取得的数据大致相同，反映了混凝土浇筑时的一般温升规律。混凝土浇筑温升规律与在表层是否埋设装置无关。

2.3 应力变化分析

本次是装置的实际应用，并没有埋设应变传感器进行应力变化跟踪检测，不妨借助两次试验结果说明装置具备释放混凝土表层拉应变能量的功能。应力变化大致分三个阶段。

第一阶段：混凝土已浇筑，模板拆除前。当混凝土初凝后，除了受体内不同等温层约束、底板约束外，还有混凝土升温膨胀受到模板构架横向约束，这个约束限制了混凝土横向膨胀（当然不是绝对刚性）。此阶段的力学简图如图6。如采用竹胶模板，因保温性能好，表层温升快，第1 h表层就产生负应变为-12.36×10-6，且会持续很长时间。实测应变表层为-60×10-6、中心层为-93×10-6。第一阶段特点是：由于受模板和模板架构紧固和混凝土温升、热胀双重作用，混凝土中心层、表层普遍受压，其值大小与气温、模板保温性能、模板架构刚度有关。

第二阶段：模板拆除，导控缝形成前。混凝土构筑物受横向模板架构约束解除后，只受到体内不同等温层的相互约束和底板固支约束。此时混凝土内部应力、变形急速调整，中心层和表层因约束解除趋于伸长。由于内外温差加大，表层和中心层压应力变小，表层压应力首先趋于零，继而产生拉应变，而中心层处于受压状态，以维持内力的平衡。实测应变表层为-41×10-6、中心层为-52×10-6。第二阶段特点是：约束解除，横向伸长，中心层和表层负应变绝对值变小。如图7。

图6

第三阶段：模板拆除，导控缝形成后。这一阶段的特点是表层产生拉力使凹槽尖角处应力集中产生裂缝，形成了导控缝。在导控缝形成后，表层按一定间距人为分成伸缩相对自如的自由段，使中心层与表层约束减弱。导控缝形成后，表层自由、拉应力消失，表层产生自然裂缝的应力条件遭到破坏，装置发挥了力学作用。实测应变表层为-70×10-6、中心层为-20×10-6。这一阶段特点是：装置起作用，导控缝形成；表层自然收缩，相比第二阶段中心层伸长，并随温差消失趋于自然状态。

显然，没有安装装置的混凝土构筑物内部应力变化不存在人为设置的第三阶段。因为模板拆除后始终处于第二阶段，混凝土内部不同等温层之间约束状态不断加强，表层的拉应变能量无法释放。当表层能量积蓄到极限时，便产生了无规则的自然裂缝。

2.4 应力释放效果

在混凝土浇筑后48 h，底板水平面上出现了纵向水平导控缝；迎、背水面垂直向导控缝在拆模后24 h 内形成。因埋设装置留有的楔形缺口和圆形孔道，可在混凝土内外温差基本持平后全部填平抹光和灌实。由于闸底板在全方位应力释放条件下完成了水泥水化反应和向外散热的全部过程，而这个过程表层基本处于松驰状态，所以，底板自始至终没有出现自然温度裂缝。

3 安装过程的注意事项

装置的安装过程较为顺利，达到了应力释放的预期目的。但也有经验和教训值得记取。

（1）因为混凝土内不仅仅是图纸所画的几条受力和分布钢筋，在浇筑过程中还有大量的插筋和钢筋架，特别是钢筋架对水平装置安装影响较大，因此，必须事先弄清装置与钢筋、钢筋架之间的关系，再进行安装设计，并严格按图施工。

图7

（2）无论是水平或竖直装置都必须牢固地绑扎在钢筋上，方能经受住混凝土浇筑时的振动和冲击。对装置应进行封闭处理，防止水泥砂浆侵入。将应力集中楔用铁丝固定在模板上时要考虑方便模板先行拆除，模板拆除后2 d 内应拆除应力集中楔，以保证装置处于正常工作状态。

4 结语

用应力释放装置对现浇混凝土进行温度应力释放是一种新的技术。从理论上讲，本装置仅释放拉应变能量，与用何种水泥，多大水灰比，混凝土入仓温度等因素并无直接关系。因为应力释放本质是破坏产生裂缝的力学条件，抓住了问题的本质，而其它因素都处于服从地位。应力释放技术正处在起步阶段，还没有被更多的人认识和认同。相信这门技术不会只局限在现阶段所选择的对象上使用，经进一步研究，在解决有关技术问题后，若用在混凝土大坝面层，对解决大坝温度裂缝难题将有着广阔的技术前景。