水工大体积混凝土结构温度裂缝控制技术研究

陈开宇，周奕琦

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

船闸导航墙、闸室墙等是船闸工程的重要组成部分，具有结构长度长、体积大、高度高、断面结构复杂等特点，是典型的异型大体积混凝土结构。根据以往的建设经验，导航墙、闸室墙等类似结构，普遍存在不同程度的竖向规则裂缝，若温控措施不当，将极易产生贯穿性裂缝，影响结构的正常使用。已有文献从设计、材料、施工各角度，对混凝土裂缝的成因、控制措施等进行阐述，但是此类结构的裂缝问题依旧突出[1]。

本文借助ANSYS有限元软件，针对竖向高度较大的连续混凝土结构进行温度裂缝控制研究，建立某船闸导航墙三维有限元模型，进行多工况下的温度场计算与分析，给类似工程设计、施工提供参考。已知某船闸导航墙为C30钢筋混凝土结构，竖向高度为6.6 m，最宽处宽度为4.2 m，其断面尺寸如图1所示。该已建船闸导航墙采用全断面浇筑措施，导航墙侧面出现了一定数量的竖向贯穿裂缝[2]。

图1 导航墙断面图（单位：m）

1 有限元仿真

1.1 保温层近似处理

实际工程中，混凝土表面通常采取相应的保温养护措施。为了按照第三类边界条件计算，通常运用等效放热系数法对模板或保温层进行简化[3]。先计算每层保温材料的热阻，公式如下：

式中：hi为第i层保温材料的厚度；λi为第i层保温材料的导热系数；Ri为第i层保温材料热阻。最外层保温材料与空气间的热阻为1/β（β为表面放热系数，kJ/（m2·h·℃）），所以若干层保温材料的总热阻Rs可由下式计算：

保温层本身热容量较小，可以忽略，则混凝土表面通过保温层向周围介质放热的等效放热系数βs可用下式计算：

1.2 水管冷却下的热传导方程

由于水管附近的温度梯度很大，必须布置密集的网格才可得到比较准确的温度场。如果将冷却水管视为热汇，在平均意义上考虑水管冷却效果，可使问题得到简化[4]。等效热传导方程为：

式中：T0为混凝土初始温度；α为混凝土导温系数。等效热传导方程的右边由2个多项式组成，第一个多项式是代表通过冷却水管的侧面边界与混凝土产生热量交换而导致混凝土结构产生温度变化；另一个多项式为（T-T0）代表混凝土结构外表面在绝热条件下，因绝热温升θ和水管冷却作用导致其平均温度的变化。

1.3 模型参数

导航墙的模型参数包括导航墙尺寸参数、混凝土配合比、混凝土的热学参数、力学参数等。混凝土配合比见表1，承台温度场参数见表2。

表1 C30混凝土配合比

表2 混凝土温度场研究参数

1.4 模型建立

借助ANSYS软件，针对实际施工中的全断面浇筑方案，对承台进行瞬态热分析，计算导航墙在施工期的温度场。在温度场分析中，使用SOLID70单元进行模拟。SOLID70单元具有空间3个方向的热传导能力，每个节点仅有1个温度自由度，适用于三维的稳态和瞬态热分析。本文的所有模型均采用四面体网格划分。全断面浇筑下的导航墙有限元网格模型如图2所示。

图2 导航墙三维有限元网格模型

2 全断面浇筑

根据该船闸导航墙实际施工情况，导航墙取15 m为一段，采用全断面浇筑。模拟夏季施工，外界气温最值为（30±10）℃。设定计算（浇筑）开始时间为0 h，计算截止时间为720 h。图3为全断面浇筑下温峰时刻导航墙温度场云图。图4为浇筑结束后，导航墙前2周的温峰值随龄期变化图。

图3 全断面浇筑下导航墙温峰时刻温度场云图（单位：℃）

图4 全断面浇筑下导航墙温峰值随龄期变化图

如图3、图4所示，全断面浇筑下的导航墙温峰值为72.75℃，出现在浇筑开始的76 h，温峰值出现在约3.7 m高度处，此时的内表温差为30.5℃。由于导航墙的散热条件较差，大量的水化热积聚在混凝土内部难以散发，温度场峰值下降缓慢，导致导航墙内部长期处于高温状态，存在极大的裂缝安全隐患。根据《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》（JTS-202-1—2010）[5]，混凝土内部温度不宜超过70℃，内表温差不超过25℃。显然，全断面浇筑不能满足温度裂缝控制的要求，该已建船闸导航墙侧面也出现了一定数量的竖向贯穿裂缝。

因此，全断面浇筑方式下，混凝土结构极易产生大量规则的竖向贯穿温度裂缝，有必要针对此浇筑方式进行适当改进。

3 浇筑措施优化

从优化浇筑措施以及控制温度裂缝的角度，根据导航墙结构特点及大体积混凝土施工分层要求，取15 m为一段，再将每段导航墙分成4层，分层施工。第一层厚1 m，第二、三层厚1.8 m，第四层混凝土层厚2 m。分层施工示意图见图5。各层的浇筑开始时间分别为 0 h，180 h，360 h，540 h，模型计算截止时间为720 h。

图5 导航墙分层施工示意图（单位：m）

图6 为导航墙分层浇筑下的温峰时刻温度场云图。混凝土结构的温峰值为62.79℃，出现在第三层浇筑开始的64 h，温峰值出现在约4 m高度处，此时的内表温差为24.6℃。根据文献[5]，从温度场要求考虑，分层浇筑可以满足温度裂缝控制的要求。

图6 导航墙分层浇筑下温峰时刻温度场云图（单位：℃）

导航墙全断面浇筑结束后的前2周温峰值变化与分层浇筑下第三层混凝土浇筑结束后的前2周温峰值变化曲线对比如图7所示。由图7可见，分层浇筑时的温峰值平均下降了9.96℃，内表温差平均下降了5.9℃。由于分层浇筑，混凝土的散热条件有了较好的改变，在第四层混凝土浇筑前，第三层混凝土的降温速率近2℃/d。

图7 不同浇筑方式下导航墙温峰值随龄期变化曲线对比图

在很多情况下，由于底层混凝土阻尼系数较大，导致混凝土容易出现竖向贯穿裂缝。表层的裂缝可以用钢筋网片解决，而内部的裂缝则容易被忽视。从施工方便角度考虑，一层一层地浇筑导航墙，导致施工工序繁杂，同时分层浇筑工期会受影响。所以，只是采取分层浇筑显然是不够的。为此需要在能控制温度裂缝的情况下，优化施工工艺，缩短工期。

4 优化温控措施

4.1 方案设计

对于竖向高度较高的大体积混凝土结构，考虑到施工难度，采用全断面施工是有难度的，对温度裂缝控制也不利。因此，可以考虑在适当分层的基础上，采用布设冷却水管的方式来控制温度裂缝。通过管冷措施来带走混凝土内部的水化热，优化混凝土的散热条件。

导航墙分两层浇筑，第一层混凝土浇筑厚3.0 m，浇筑开始时间为0 h；第二层厚3.6 m，浇筑开始时间为240 h，计算截止时间为480 h。冷却水管采用管径30 mm的Q235钢管，水管竖向共两层，第一层距地面1.5 m，第二层距地面4.0 m。水管距混凝土表面0.75 m，水管水平间距0.9 m，两层水管各有一套进出水系统。冷却水管在浇筑开始10 h后通水，通水6 d，流速控制在0.6 m/s。冷却水管布置如图8所示。

图8 冷却水管布设图

4.2 管冷措施下温度场计算

此方案下的温度场峰值时刻计算云图见图9。导航墙温峰值为59.69℃，出现在第二层混凝土浇筑开始的72 h，此时的内表温差为23.56℃。此方案较只分层浇筑方案温峰值降低了3.1℃，内表温差降低了1.04℃。显然，此方案符合温控要求。计算截止时的温度场云图如图10所示，此时混凝土内部温峰值与环境温差小于20℃，符合拆模要求。而且，导航墙的施工时间由720 h减少到480 h，工期大大缩短。

图9 布设冷却水管下的温峰时刻温度场云图（单位：℃）

图10 布设冷却水管下计算截止时刻（480 h）温度场云图（单位：℃）

5 抗裂系数计算

由于温峰值出现在第二层混凝土浇筑后，并且混凝土的阻尼系数比导航墙基础要大，因此根据对应龄期的内表温差和温峰值，参照文献[5]，还需要计算第二层混凝土的内约束和外约束的抗裂安全系数，结果见表3、表4。

表3 第二层混凝土内约束抗裂安全系数

表4 第二层混凝土外约束抗裂安全系数

由表3、表4可知，导航墙的内、外约束抗裂安全系数均大于规范要求的1.15。表明布设冷却水管并结合合理的分层浇筑可以满足导航墙温度裂缝控制要求，此方案具有一定的可行性。

因此，在设计、施工时，对于竖向高度较高的大体积混凝土结构，为了满足温度裂缝控制及尽可能缩短工期的要求，宜采用布设冷却水管的方式，同时结合适当分层施工。

6 结语

（1）通过有限元软件ANSYS建立了导航墙三维有限元数值模型，并针对不同工况下的结构温度场进行了计算与分析。通过全断面浇筑与分层浇筑温度场计算结果对比发现，只采用分层浇筑可以较好地控制混凝土的温峰值，但容易因外约束应力产生裂缝，同时工期会因此延长。

（2）通过适当分层浇筑结合冷却水管作用的有限元数值模拟，表明大体积混凝土内部埋设冷却水管能够很好地起到削峰降温的作用，同时降低内部与表面温差、表面与空气温差等温控指标，从而起到控制温度裂缝的作用。而且，合理的分层措施还可以大大节约工期。

（3）通过温度场计算结果发现，在夏季进行大体积混凝土施工时，由于白天气温较高，日照强烈，且昼夜温差较大，混凝土的内表温差所受影响较大，所以还应注意选择合适的浇筑温度、养护方式和养护时机。