水利工程薄壁混凝土结构施工期温控防裂研究

高喜才

(河南省水利第一工程局，河南 郑州 450000)

1 裂缝机理与防裂方法

1.1 开裂机理

混凝土属于热性材料，因为会受到水泥水化热的影响，所以其温度会在浇筑之后增加。另外，由于混凝土材料具有热惰性，所以相比较来说其外部热量散发的效率更高，从而会造成混凝土结构内部温度相对过高而产生结构性温差。而如果混凝土结构温差过大会造成其结构发生不均匀的变形，因此会导致混凝土的结构外部形成拉应力，一旦这种力的大小超出其所能承受的大小范围，裂缝就会随之出现。往期浇筑的混凝土会在最新浇筑的混凝土的降温阶段对其结构造成约束作用，从而导致拉应力的形成；而且随着新旧混凝土浇筑时点间隔的拉长以及降温幅度的加深，往期浇筑的混凝土对新浇筑的混凝土造成的约束力度会更加显著。因为相较于混凝土结构的厚度，在薄壁混凝土结构中其长度方向上的尺寸大小是明显更大的，因此如果有裂缝形成则会是贯穿性的。

1.2 防裂措施

1.2.1 铺设冷却水管

通常情况下，如果在混凝土构件中铺设管道并注入冷水是能够降低混凝土的结构温度的，但是这一温控措施是无法在所用状况下适用的。以某项实际施工活动中的水管铺设活动研究为参考，可以得到完成1层管道的铺设需要花费的时间一般为2～4 h，但是混凝土的结构温度在水管铺设期间能够上升的温度最大能够达到10 ℃。所以通过加大仓面的覆盖时长来做到对混凝土结构温度的控制也许会更易造成其结构温度的加大，这样做从成本以及工程的质量保障等方面来看都是不科学的。因为这种混凝土结构的体积较大，而且其内部的温度下降的速率低，所以如果想要真正达到稳定状态一般需要花费数十年。在寒冷的冬季，由于外部环境气温低，劈头裂缝很容易在上游面部位产生，所以铺设冷水管依旧是十分有必要的温控防裂手段，在水利工程建筑物正常运行期间防裂工作也必须要重视。

1.2.2 大坝上游面温度缝的设置

目前在碾压混凝土重力坝的施工操作中存在两类观点，其中一个观点是不建议设置温度缝，因为相较于设置温度缝的混凝土重力坝它可以拥有更强大的承重能力，而且也简化了施工工序，有效减轻了施工的工作量，因此也能够缩短工期，其结构特征与拱坝相像。另外，如果原本对工程所要求的防渗等级并不高，则即使混凝土结构出现了开裂也不会对坝体的正常运作造成很大影响。第二种观点则是建议设置温度缝，模式是间距为20～30 m的横缝。首先是因为温度缝的设置能够抑制裂缝的产生，而对于具有严格防渗要求的水工坝体结构来说，将横缝设置在应力最集中的混凝土结构处能够有效缓解裂缝形成。为了不对大仓面的正常施工操作产生影响，坝体结构中温度缝的设置最好为诱导缝，应该将其设置在上游面处，温度缝的深度距离上游面大约3 m，同时要应用止缝孔结构。

1.2.3 混凝土智能监控软件

结合混凝土浇筑施工所具有的特征，要做到集中化管理监测信息应基于数据库将浇筑仓作为主线，同时管理要具有模式化的特征，开发出具有8个子模块的智能监测系统软件，并将其应用于混凝土结构监测活动中。首先管理、数据收集和运输反馈这4个子系统能够完成的工作有混凝土结构温度的监测收集、大量数据信息的存储与共享以及生成数据报表等；混凝土结构裂缝产生的预警以及温度数据异常报警等工作可以由预警子系统来完成，而且它还可以提供相应的决策建议；智能通水子系统可以以数据库中存储收集的信息数据为基础进行模型的分析与建立，然后基于分析结构发出相应的指令实现自动控制；干预反馈子系统能够把借助互联网把相关信息反馈给工作人员，便于及时进行处理，而且能够将处理的结果继续反馈回服务器设备，最终能够形成管理上的闭环；智能保温子系统则能够基于环境温度数据预测进行运算得出温控措施建议。

2 计算原理与方法

在整个计算领域R内，不稳定温度场T(x,y,z,t)必须符合下式：

(1)

式中，T为温度；a为导温系数；t以及τ为时间和龄期；θ为绝热温升。

以变分原理为基础，然后对上式进行空间域以及时间域的处理，在完成相关数据条件的引入之后能够得出：

(2)

上式是温度场有限元计算递推方程，其中[H]以及[R]分别是热传导和热传导补充矩阵；{Fn+1}以及{Tn}分别是荷载列阵以及温度列阵。另外，n是时段序数，Δtn是时间步长。基于式(2)，同时结合节点的计算温度{Tn}能够得到{Tn+1}。

另外，以热传导定律以及热量平衡条件为计算基础，能够得出：

(3)

式中，λ为混凝土的导热系数，cw、pw以及qw依次代表的是流量、比热以及密度。

因为已经知道了冷却水的入口温度数据，所以能够基于式(3)通过推导得出水体的温度。另外，由于水管水温的测算会受到Tn即温度梯度的影响，所以这种情况下混凝土温度场的计算应该基于迭代法去进行求解，因为它属于边界非线性问题。另外，对于弹性混凝土的应力增量有：

(4)

然后基于几何、平衡以及物理方程能够得到Δt1的有限元支配方程：

(5)

3 案例分析

3.1 工程概况

某渡槽的结构全长是2 300 m，单跨长为30 m，横向的长度是22 m，呈现三槽的槽深特征，是一个大体积的一级交叉建筑物，它的单槽段面尺寸是6 m×5.4 m，混凝土等级是C50W6F200。对于此渡槽结构来说，混凝土的温控防裂工作是重要且操作较为困难的。

3.2 计算模型

图1 槽身特征点布置

图2 仿真计算网络

3.3 计算结果分析

以工程建设施工期间薄壁型混凝土的开裂机理为依据，同时参考该工程实际的渡槽结构状况以及具体的客观施工环境，选择实施的温控措施是将混凝土内部温控以及外部温控的手段相结合。最终得出的仿真计算数据如下所示(见图3～图7)，是基于特征点以及典型剖面展开的分析。

图3 1、2典型点温度与应力数据

图4 3、4典型点温度与应力数据

图5 浇筑2 d后管道温度等值线

图6 浇筑2 d后管道应力等值线

图7 第2层浇筑两天后温度与应力等值线

(1)温度计算结果分析

通过混凝土结构内部降温以及外部保温这两种温控手段的结合实施，其结构内部的温度增加的幅度变小了，而且其结构外部的散热速率也得到了抑制，因此渡槽混凝土结构内外部的温差明显减小了。渡槽混凝土结构的温度极大值点位于浇筑操作实施后的2～3 d之间，从图3中的1、2典型点数据能够看到，渡槽混凝土表面的温度极大值是36 ℃，而其内部的温度极大值则是46 ℃，总体来说结构温差大概为10 ℃；其中如图3(a)所示铺设冷水管道所产生的降温效果是比较显著的。

在第一层槽身浇筑完成15 d后，接着开展第二层槽身的浇筑工作，该层混凝土墙体的厚度尺寸很小，拥有不错的散热能力；其结构温度极大值时点为浇筑工作完成后的2～3 d之间，峰值是35 ℃。在非水管区域，其结构温度在第二天时达到峰值，且最大温度为41℃。在温控手段实施后，混凝土结构温差大约为1.5 ℃，温差较低(见图4)。因为铺设的水管管壁周边的混凝土结构温度是和水体温度相近的，所以这个位置的结构温差梯度较为明显，如图5所示处于铺设的管道之间的混凝土结构温度大约为35 ℃。

(2)应力计算结果分析

渡槽混凝土结构的温度在其浇筑工作完成后会出现快速的增加。因为铺设了冷水管道，所以位于管道周边的混凝土结构温度上升幅度的相对并不明显。从数据图上能够观察到因为初期结构温差的存在，1、2典型点所呈现出的分别为拉应力以及压应力。当渡槽混凝土的内部结构温度上升到极大值时，其外部的拉应力也达到了峰值，数值大小为1.0 MPa。因为这个拉应力大小依旧位于其结构抗拉强度的承受范围之内，所以在这种情况下一般不会产生开裂现象。如图3(b)所示，渡槽混凝土结构的收缩变形随着后面结构温度数值的减小，开始慢慢成为主导，拉应力上升并于大约第七天时达到了极大值1.1 MPa。在进行第二层渡槽结构的浇筑时，由于受到了所处外部环境的昼夜温差以及新浇筑的混凝土重力等因素的影响，主梁应力会发生大幅度的升上。

基于图中数据能够看出，在第二层结构浇筑工作完成2 d后，其特征点的应力波动规律与主梁是比较相似的。因为结构温差并不大，所以渡槽混凝土的结构内外部所产生的应力在初期也是比较小的，因此发生结构开裂的概率较低。

4 结 论

总之,同时结合内部降温以及外部保温的温控应用手段能够有效降低混凝土结构浇筑初期结构内外部的温差以及温度应力的大小，从而对于裂缝开裂的控制有良好的预防效果，而且见效速度快，因此具有较好的应用前景。但是所有温控手段同时也是具有双面性的，所以在应用过程中应该结合工程结构的实际情况努力发挥各项措施的正面积极效用。另外，可以在正式施工活动开展前进行建模仿真分析，以便更好地保证施工的质量以及安全性，便于开展更加适配的温控方案。