不同施工方案下大型渡槽抗裂效果模拟

雷 娜

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

不同施工方案下大型渡槽抗裂效果模拟

雷 娜

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

为了控制渡槽由于混凝土水化热而产生的裂缝，以某大型渡槽工程为例，通过在槽身混凝土中预埋冷却水管，并采用不同温度和流量的循环水进行冷却，在钢模外表面不同部位采取不同厚度的贴塑保温措施、控制浇筑温度等进行了施工方案的数值模拟，为今后处理类似渡槽等水工混凝土建筑物的裂缝防治提供有益的参考。

渡槽；水管冷却；裂缝；数值模拟

1 工程概况

某大型渡槽工程等别为Ⅰ等，主要建筑物等级为Ⅰ级，抗震设防烈度为Ⅵ度。该渡槽全长2300 m，由进口段、槽身段、出口段等组成，进、出口底板高程分别为62.245 m、61.527 m，出口纵坡坡度为1/3950，设计流量为125 m3/s，加大流量为150 m3/s。渡槽结构型式采用三槽一联带拉杆加肋预应力结构，单跨为30 m，渡槽断面高5.4 m，净宽6.0 m，中墙厚0.7 m，侧墙厚0.6 m；侧肋宽0.5 m，高0.7 m；底肋宽0.5 m，高0.9 m；边纵梁宽1.3 m，高2.0 m；中纵梁宽1.4 m，高2.0 m；拉杆断面宽0.3 m，高0.4 m；槽身普通钢筋采用Ⅱ级钢筋，支座为GPZⅡ盆式支座。槽身采用三向预应力钢筋：沿纵向两侧边纵梁各布9个孔道和83束钢绞线，共计18个孔道和166束钢绞线；沿纵向每个中纵梁布13个孔道和128束钢绞线，两个底板共布2个孔道和96束钢绞线；另外在横向和竖向还应布置一定数量的孔道和钢绞线[1-3]。以上所有预应力钢绞线均采用两端张拉。

2 计算模型及参数

为了控制渡槽由于混凝土水化热等而产生的裂缝，在槽身混凝土中预埋冷却水管并采用不同温度和流量的循环水进行冷却，在钢模外表面不同部位采取不同厚度的贴塑保温措施、控制浇筑温度等措施进行了施工方案的数值模拟。

2.1 计算模型

根据设计的渡槽结构型式，槽身分两层浇筑：中纵梁、底肋、底板及墙底“八”字垂直向上25 cm范围内为第一层，高3.25 m，单跨共浇筑混凝土量约765 m3，浇筑时间20 h左右；墙体、走道板、预制拉杆梁等上部结构为第二层，高4.65 m，共浇筑混凝土量约459 m3，浇筑时间14 h左右，该层在浇筑第一层后约15～20 d开始浇筑。考虑环境对渡槽结构等的影响，为更好的模拟出冷却水管周围混凝土温度的变化，对水管及周围的槽身网格采用加密处理。由于本次槽身断面结构具有对称性，因此本次只选取一半结构进行计算，以减少运算时间和工作量。渡槽混凝土配合比见表1，计算模型的网格剖分情况如图1所示。

表1 渡槽混凝土配合比

图1 计算模型网格剖分图

2.2 计算参数

根据现场实测温度资料、混凝土热学试验和抗拉试验，以及反分析得到了相关计算参数。当地多年月平均气温拟合公式如下：

(1)

式中：Ta(t)为当地多年月平均气温，℃；t为月份，月。

混凝土绝热温升按下式计算：

θ(τ)=50.055×(1-e-0.251τ1.98)

(2)

式中：θ(τ)为混凝土绝热温升，℃；τ为混凝土龄期，d。

通过热学试验得到的各材料的表面放热系数如下：无风时钢模板的表面放热系数为30.34 kJ/(m2·h·℃)，风速为2.2 m/s时钢模板的表面放热系数为51.55 kJ/(m2·h·℃)，无风且钢模板外贴1.5 cm厚保温板时的表面放热系数为18.20 kJ/(m2·h·℃)，风速为2.2 m/s且钢模板外贴1.5 cm厚保温板时的表面放热系数为24.71 kJ/(m2·h·℃)，土工膜表面放热系数为14.49 kJ/(m2·h·℃)，风速为2.2 m/s且6 cm厚草袋覆盖时的表面放热系数为7.21 kJ/(m2·h·℃)，风速为2.2 m/s且10 cm厚草袋覆盖时的表面放热系数为4.58 kJ/(m2·h·℃)，混凝土的泊松比为0.167。

混凝土的徐变度按下式计算：

C(t,τ)=6.12×(1+9.20τ-0.45)·

[1-e-0.30(t-τ)]+13.83×(1+1.70τ-0.45)·

[1-e-0.005(t-τ)]

(3)

式中：C(t,τ)为混凝土的徐变度，MPa-1；t为加荷时间，d；τ为混凝土龄期，d。

根据混凝土抗拉试验成果，得到其抗拉强度的拟合关系式如下：

R=4.5×(1-e-0.586τ0.576)

(4)

式中：R为混凝土的抗拉强度，MPa；τ为混凝土龄期，d。

混凝土弹性模量的拟合值为：

E=43.1×(1-e-0.588τ0.552)

(5)

式中：E为混凝土的弹性模量，MPa；τ为混凝土龄期，d。

混凝土体积变形拟合值为：

εV=186.66×(1-e-0.02τ1.04)

(6)

式中：εV为混凝土的体积变形模量，MPa；τ为混凝土龄期，d。

计算模型的温度边界选取如下：重力墩四周外表面、基础底面和模型对称面为绝热边界，剩余面均取为热交换边界。位移边界选取如下：重力墩四周、模型对称面和渡槽底面为连杆支撑，重力墩基础底面为铰支座，剩余边界为自由边界。

3 计算方案及结果

3.1 计算方案

施工方案共分为两种方案，如下：

方案一：①主梁和次梁。在混凝土浇筑后的前3.5 d，冷却水管中的水流速按1.2 m/s，流量按5.42 m3/h，其中前2 d冷却水温为12 ℃，2.0～3.5 d冷却水温为16 ℃且水管中水流方向相反；在混凝土浇筑后的3.5～4.5 d，冷却水管中的水流速按0.6 m/s，流量按2.71 m3/h，冷却水温为19 ℃且再次改变水管中水流方向；在混凝土浇筑后的4.5～6.0 d，冷却水管中的水流速按0.3 m/s，流量按1.35 m3/h，冷却水温为22 ℃且再次改变水管中水流方向。②上部墙体。在混凝土浇筑后的前3 d，冷却水管中的水流速按1.2 m/s，流量按5.42 m3/h，其中前2 d冷却水温为12 ℃，第3 d 冷却水温为16 ℃；在混凝土浇筑后的3.0～3.5 d，冷却水管中的水流速按0.6 m/s，流量按2.71 m3/h，冷却水温为19 ℃且改变水管中水流方向；在混凝土浇筑后的3.5～4.5 d，冷却水管中的水流速按0.3 m/s，流量按1.35 m3/h，冷却水温为22 ℃且再次改变水管中水流方向。③对主梁、次梁和底板钢模外表面外贴0.5 cm厚的保温板，上部墙体高度3.3 m以下钢模外表面外贴1 cm厚保温板。施工开始后的前3 d昼夜温差按15 ℃选取，在第8 d拆模。④混凝土的浇筑温度不得超过26 ℃，第一次和第二次浇筑时间间隔为15 d。

方案二：将方案一中各时段冷却水管中的水温各提高2 ℃，另外对上部墙体高度3.3 m以下钢模外表面外贴0.5 cm厚保温板，其余施工方案同方案一。

3.2 计算结果及分析

采用ANSYS软件，考虑混凝土水化热对混凝土绝热温升、放热系数、弹性模量和体积变形的影响，并考虑温度、自重、体积变形和徐变等引起的荷载，选取边主梁跨中下缘特征点1和特征点2，对不同施工方案限制渡槽裂缝进行数值模拟分析。各方案的计算结果如图2和图3所示。

图2 方案一特征点温度和应力历时曲线

由图2可以看出：在浇筑混凝土后2～3 d之内，主梁两端靠近梁中心未布设冷却水管的区域其内部可达到的最高温度约为55 ℃，此时冷却水管管壁温度约为45 ℃，主梁内部和表面的内外部温差约为5.5 ℃，主梁表面拉应力最大为1.0 MPa，内部压应力最大为0.5 MPa；次梁内部最高温度约为50 ℃，在上下层冷却水管之间的混凝土最高温度约为54 ℃；上部墙体两端靠近墙中间部位最高温度更是可达60 ℃，此时管壁温度约为42 ℃，在上下层冷却水管之间的混凝土最高温度约为50 ℃。在混凝土内部管壁周围的应力较小，约为0.5 MPa。随着龄期的增长，混凝土内部温度逐渐下降，到一定程度后，混凝土内部和外表面的应力均为拉应力，且应力均很小未超过混凝土允许抗拉强度，混凝土产生裂缝的概率很小。

图3 方案二特征点温度和应力历时曲线

由图3可以看出：由于冷却水温比方案一提高2 ℃，在浇筑混凝土后2～3 d之内，主梁相应部位的最高温度约为55.5 ℃，次梁内部最高温度约为50.5 ℃。随着龄期的增长，混凝土内部温度有较大降幅，导致主梁拉应力较方案一有所增大，次梁的温度和应力变化与主梁相同。由于方案二中对上部墙体的保温措施减弱，导致混凝土外表面的温度下降约1 ℃，内部下降约0.6 ℃。

4 结 论

采用ANSYS软件对不同施工方案限制渡槽裂缝进行数值模拟，无论是方案一和方案二，其共同点在于：在浇筑混凝土后2～3 d之内，主梁、次梁和上部墙体均出现最高温度，此时混凝土外表面出现最大拉应力，而其内部则出现最大压应力，随着龄期的增长，混凝土内部温度逐渐下降，混凝土内部和外表面的应力均为拉应力，且应力均很小未超过混凝土允许抗拉强度，混凝土产生裂缝的概率很小。其区别在于：方案二提高了水温，主梁和次梁的相应部位的温度较方案一高0.5 ℃，后期应力较大，而上部墙体温度比方案一有所降低，且后期应力有所减小，故推荐采用方案二。

[1] 中华人民共和国水利部．水工混凝土结构设计规范：SL 191—2008[S]．北京：中国水利水电出版社，2008.

[2] 中华人民共和国水利部．灌溉与排水渠系建筑物设计规范：SL 482—2011[S]．北京：中国水利水电出版社，2011.

[3] 董安建, 李现社. 水工设计手册:第9卷 灌排、供水(精)[M].2版.中国水利水电出版社, 2014.

TV314

A

2096-0506(2017)11-0064-04

雷 娜(1985-)，女，陕西渭南人，工程师,主要从事水工建筑物设计与优化研究工作。E-mail:276670410@qq.com。