长江中下游地区无温控措施条件下墩墙类结构最优浇筑长度研究

马祺瑞 魏国宏 宋家东 强 晟

(1. 河海大学 水利水电学院， 南京 210098； 2. 河南省水利第一工程局， 郑州 450004； 3. 武汉大学 水利水电学院， 武汉 430072)

长江中下游地区无温控措施条件下墩墙类结构最优浇筑长度研究

马祺瑞1,3魏国宏2宋家东2强 晟1

(1. 河海大学 水利水电学院， 南京 210098； 2. 河南省水利第一工程局， 郑州 450004； 3. 武汉大学 水利水电学院， 武汉 430072)

近年来，我国规划和建设了大量的中小型水工混凝土结构，此类工程实施严格的温控措施非常困难，因此，本文运用ANSYS软件计算了长江中下游地区无温控措施条件下不同浇筑尺寸的墩墙结构温度场以及应力场，以墩墙结构不产生贯穿裂缝为控制目标，对墩墙结构的最优浇筑长度进行了研究．研究结果对规范制定和工程实践有一定的参考价值．

水闸墩墙； 混凝土； 温度应力； ANSYS； 最优浇筑尺寸

近年来，我国大型水利水电工程的建设数目在减少，而中小型水工结构仍在大量地进行规划、设计和施工．根据工程经验，这类中小型工程建设过程中，由于人员意识、经济条件等不足，一般在工程施工中难以采用严格而有效的温控措施．大量数据显示，水工大体积混凝土结构出现裂缝大多是结构中的温度应力造成的[1]．在诸多的防裂措施中，材料控制、温度控制、浇筑块尺寸控制是相对最常用的手段，其中浇筑块尺寸控制又是相对最经济、最易行的手段[2-3]．因此，本文针对我国当前和今后大量建设的中小型水工混凝土结构，基于工程中常用的材料热力学参数，运用ANSYS软件开展了无温控措施条件下的墩墙结构最优浇筑长度研究．与本文同步开展研究的还有无温控措施条件下的底板类结构最优浇筑长度研究，将另文刊出．

1 计算方法

在混凝土浇筑过程期间，混凝土内部的非稳定温度场T(x，y，z，0)需要满足热传导方程．由能量守恒原理，温度上升需要吸收的热量与从外界摄入的净热量与自身水化热之和必须相同，并假定热流密度与温度梯度成正比，从而导出热传导方程为[1]:

式中，T为温度(℃)；τ为混凝土龄期(d)；x，y，z为直角坐标；a为导温系数(m2/h)；θ为绝热温升(℃)．

假设为各向同性弹性体，体内各点的变温为T，其发生的自由变形为αT，α为热胀系数，在各向同性体中α均相同，因而各向正应变相等，且角应变为零，体内各点的应变量可表示为：εx=εy=εz=αT，γxy=γyz=γzx=0，即{ε0}=αT[1，1，1，0，0，0]T，则运用有限单元法计算节点的变温等效荷载为[4]:

由上式可以求得位移:

则可求得温度应力为:

2 计算参数、模型和工况

2.1 计算参数

本文主要关注的是常见的墩墙类内部是否产生贯穿裂缝，重点研究在气温、水化热等条件随龄期的增长而改变的情况下，水闸墩墙结构的温度场及应力场的有限元解答．由不同浇筑长度的墩墙观测点的拉应力是否超出抗拉强度，判断是否出现贯穿裂缝[5]，从而得出无温控措施时，1m、2m、4m厚水闸墩墙在不同季节、不同地基强度条件下的最优浇筑长度．

一般强度地基的计算参数详情见表1，软土基和硬岩地基的弹性模量分别为20MPa和55GPa，其余参数同表1．参数来源于笔者所参与的多项典型工程的常见工程参数[6-9]．底板C25和墩墙C30混凝土的计算参数详情见表2．

表1 地基的仿真计算参数

表2 混凝土计算参数

闸墩C30的弹性模量(GPa)历时曲线如下式：

闸墩C30的抗拉强度(MPa)计算式如下：

闸墩C30的绝热温升(℃)计算式如下：

气温(℃)的年变化拟合式如下：

我当头棒喝一般，用镜头瞄准孩子们与妹妹，还有那一盘西瓜，猛按快门，一张接一张，我看着不懂人类适者生存的西瓜在记忆卡读取时鲜红无辜的样貌，心中觉得不忍，偷偷叹了口气。

混凝土的浇筑温度即初始温度设置如下：

冬季(1月1日浇筑)：5℃；春季(4月1日浇筑)和秋季(10月1日浇筑)：15℃；夏季(7月1日浇筑)：30℃．地基的初温设置为我国中纬度地带常见的18℃，在浇筑底板前对地基先进行10年的温度场计算，获得地基表层的合理温度场分布后再施加底板混凝土；底板的初温同闸墩的浇筑温度．根据工程经验[6-9]，考虑徐变时的应力比不考虑徐变要减小35%左右，自生体积收缩变形产生的拉应力一般在早龄期拉应力中占1/3左右．为了简化计算，假定徐变产生的拉应力降幅和自生体积收缩变形产生的拉应力增幅基本抵消，故本文的计算中不考虑徐变和自生体积变形的影响．

温度场计算边界条件：地基的上表面的热传导系数按粗糙表面处理，表面热传导系数β=1 000 kJ/(m2·d·℃)．地基的四周和底面为绝热边界．结构临空面的热传导系数按光滑表面处理：β=400 kJ/(m2·d·℃)．应力场计算边界条件：地基的四周和底面施加法向约束．

2.2 计算模型

本文采用ANSYS软件的三维热实体单元SOLID70进行有限元建模．地基尺寸顺水流方向(x轴正向)长度为100 m，宽度(z轴正向)取为40 m，厚度(y轴正向)取为10 m；底板尺寸顺水流方向取为32 m，宽度取为10 m，高度取为2 m．墩墙高度为8 m，厚度(即横河向尺寸)1 m条件下长度4 m、6 m、8 m、12 m、24 m一共5种模型，厚度2 m条件下长度3 m、4 m、5 m、6 m、8 m、12 m、24 m一共7种模型，厚度4 m条件下长度4 m、6 m、8 m、12 m、24 m一共5种模型．累计共建立了17个墩墙有限元模型．典型工况中2 m厚6 m长墩墙有限元模型如图1～2所示．

图1 墩墙整体网格剖分图 图2 墩墙网格剖分图

2.3 计算工况

本文共计算了84个工况，概述如下：

工况1～工况36：研究了基岩强度20 MPa时，厚度1 m、2 m、4 m，长度8 m、12 m、24 m的墩墙在春夏秋冬4个季节施工时的温度和应力发展情况，1种基岩强度×3种厚度×3种长度×4种季节=36个工况．

工况37～工况72：研究了基岩强度31 GPa，厚度1 m、2 m、4 m，长度4 m、6 m、8 m的墩墙在春夏秋冬4个季节施工时的温度和应力发展情况，1种基岩强度×3种厚度×3种长度×4种季节=36个工况．

工况73～工况84：研究了基岩强度55 GPa，厚度2 m，长度3 m、4 m、5 m的墩墙在春夏秋冬4个季节施工时的温度和应力发展情况，1种基岩强度×1种厚度×3种长度×4种季节=12个工况．

3 计算结果

运用ANSYS完成温度场分析之后，选择在闸墩平面的几何中心，且高度距离底板为0.5 m的点(坐标为(50,12.5,20))作为特征点，得到该点的温度历时曲线,并得出闸墩在水化热温度最高时的闸墩纵向剖面温度云图．用ETCHG命令将热分析单元转换成结构单元，设置地基的边界约束条件，将热分析中的温度场计算结果(文件*.RTH)读入到结构分析中，进行结构分析，得到观测点顺水流方向的应力历时曲线以及出现应力峰值时刻的闸墩应力云图．因为顺河向拉应力是导致闸墩贯穿性裂缝的最主要来源，所以本文中提到的应力，如无特殊说明，均为顺河向应力(X方向应力)．

典型工况的主要计算结果见图3～6所示．由图可见，温度历时曲线在早龄期由于水化热的作用温度持续升高，到达水化热最高值之后，基本随着气温的变化而波动．在温度上升阶段，结构内部产生压应力，在温度下降阶段，结构内部产生拉应力，这符合温度应力产生的规律．需要指出的是，本文计算中采用的是科研单位和设计单位常用的ANSYS有限元分析软件，该软件通用性好，读者可以对本文结果进行重复验证，但该软件在温度场计算中未考虑混凝土的水化度和水化反应速率的影响，可能会对温度计算结果造成一定的影响．

图3 典型工况2 m厚6 m长墩墙夏季浇筑温度历时曲线

图4 典型工况2 m厚6 m长墩墙夏季浇筑应力历时曲线

图5 夏季工况中2 m厚6 m长墩墙中心剖面的温度包络图(℃) 图6 夏季工况中2 m厚6 m长墩墙中心剖面的应力包络图(℃)

本文由计算结果总结得到软土地基(20 MPa)条件下墩墙最优浇筑长度与墩墙厚度关系曲线(如图7所示)、一般基岩(31 GPa)条件下墩墙最优浇筑长度与墩墙厚度关系曲线(如图8所示)、2 m厚闸墩春季浇筑最优浇筑长度与地基强度关系曲线(如图9所示)．根据这3个曲线图，在建设中小型墩墙类结构时，如不采取任何温控措施，相应厚度的墩墙的最优浇筑块长度(不出现贯穿性裂缝)可以直接查图得到，无需再进行仿真计算．

图8 一般基岩(31 GPa)条件下墩墙最优浇筑长度与墩墙厚度关系曲线

图9 2 m厚闸墩春季浇筑最优浇筑长度与地基强度关系曲线

4 结 论

本文运用ANSYS软件，结合仿真计算以及实际工程经验，针对无温控措施条件下墩墙类大体积混凝土结构的最优浇筑长度(即采用该长度的浇筑块不会出现贯穿性裂缝)进行仿真计算，并得出以下结论：

1)无温控措施条件下，建筑在软土基(弹模20 MPa)上，1 m厚、2 m厚、4 m厚墩墙的最优浇筑长度分别为12 m、12 m、24 m，如图7所示．

2)无温控措施条件下，建筑在一般基岩(弹模31GPa)上，1 m厚、2 m厚、4 m厚墩墙的最优浇筑长度分别为4 m、6 m、8 m，如图8所示．

3)无温控措施条件下，对于春季浇筑的2 m厚墩墙，如地基分别为20 MPa软土基、31 GPa基岩和55 GPa基岩时，其最优浇筑长度分别为12 m、6 m、5 m，如图9．可见在其他条件相同的条件下，地基强度越大，墩墙的最优浇筑长度相对而言越小，但并非线性变化．

4)无论在软土基还是岩基上建筑墩墙类结构，墩墙厚度越大，最优浇筑长度也更大．这是因为厚墩墙混凝土虽然早龄期温升较大，其内部水化热温度峰值较高，但是在无温控措施条件下温降较慢，且到冬季依然降不到较低的温度；同时，因其截面面积大，故在受到相同温度荷载时，厚墙体比薄墙体的横截面应力显然会更小，而厚墙体比薄墙体所增加的几度水化热温升产生的相应温度荷载增量远远比不上截面面积成倍增加而造成的应力减量．所以在相同浇筑长度下，无温控措施时的厚墩墙内最大拉应力比薄墩墙要小．

[1] 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，1999．

[2] 田正宏，强 晟．水工混凝土高质量施工新技术[M]．南京：河海大学出版社，2012．

[3] 黄耀英，丁月梅，吕晓曼，等．闸墩混凝土结构温控防裂措施智能优选研究[J]．中国工程科学，2014，16(3)：59-62．

[4] 王勖成．有限单元法[M]．北京：清华大学出版社,2003．

[5] 朱岳明，等．闸墩“枣核形”裂缝成因机理和防裂方法研究[J]．水电能源科学，2006，24(2)：40-43．

[6] 强 晟，等．淮安市里运河防洪控制工程北门桥节制闸混凝土结构施工期温控防裂技术研究[R]．南京：河海大学，2015．

[7] 强 晟，等．陶岔渠首枢纽工程挡水建筑物混凝土防裂及快速施工技术应用研究[R]．南京：河海大学，2011．

[8] 杨桥培，刘敏芝，强 晟，等．大型常态混凝土闸墩快速浇筑的温控防裂方法研究[J]．三峡大学学报：自然科学版，2012，34(1)：1-4．

[9] 练松涛，吴 超，强 晟，等．高温期滑模快速施工条件下的重力坝表孔长闸墩温控防裂[J]．水电能源科学，2013，31(12)：62-65．

[责任编辑 王迎春]

Study of Optimization of Pouring Block Size for Pier Wall in Middle and Lower Reaches of Yangtze River

Ma Qirui1,3Wei Guohong2Song Jiadong2Qiang Sheng1

(1. College of Water Conservancy & Hydropower Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 2. The First Hydraulic Engineering Bureau of Henan Province, Zhengzhou 450004, China；3. School of Water Resources & Hydropower, Wuhan Univ., Wuhan 430072, China)

In recent years, China has planned and constructed a large number of small hydraulic concrete structures. It is very difficult to apply strict temperature control measures on this type of concrete structures. Therefore, ANSYS software is used to analyze the temperature field and stress field of different pouring sizes for pier wall structure without temperature control measures in the middle and lower reaches of the Yangtze River. Aiming at no penetrating cracks in wall, the optimal pouring sizes of pier wall structures are researched. The results have certain reference value to the construction standard and the engineering practice.

pier wall； concrete； thermal stress； ANSYS； optimal pouring size

2016-05-22

国家自然科学基金项目(51679074)；河南省水利科技攻关计划项目．

强 晟(1977-)，男，教授，博士，研究方向为大体积混凝土防裂．E-mail：sqiang2118@hhu.edu.cn

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.001

TV544

A

1672-948X(2017)04-0001-04