七方渡槽施工期全过程温度与应力有限元仿真分析

邓远新，杨李川

(1.广东省水利水电第三工程局有限公司，广东 东莞 510199；2.武汉大学 水利水电学院，武汉 430072)

大型渡槽多为薄壁混凝土结构，长度方向尺寸大于壁厚，其温度场和温度应力变化规律与大体积混凝土结构对应的变化规律相比差异较大[1]。相较于水利水电工程中常见的大体积混凝土，渡槽类薄壁混凝土结构在温控方面特点：① 渡槽形式单薄、约束明显，对外界环境气温变化尤为敏感，施工期温升和温降幅度较大体积混凝土显著增大，另外其受底部基础的约束作用也更为明显，是施工期温度裂缝的开裂诱因；② 渡槽通常采用高强度等级混凝土，其具有水泥用量多、水化热量大且早期集中释放、弹性模量大和自生体积变形大等特性，这些特性使其开裂现象更加普遍[2-3]，严重影响工程的建设质量和耐久性。

国内学术界和工程界对于渡槽等薄壁结构施工期温度应力做了大量研究。文献[4]针对空箱闸室薄壁混凝土结构进行了施工期温控防裂计算分析，指出侧墙外表面是开裂最危险部位，并对保温板厚度进行了优化比选。文献[5]利用有限单元法计算分析了渡槽主梁、边墙、次梁、底板的施工期裂缝形成原因，主要是由于混凝土早期温升导致的表面受拉开裂和后期温降导致的内部受拉开裂。文献[6]针对渡槽施工期中的纵梁、横梁、竖墙、底板等部位的应力超标现象提出了模板内表面贴保温板的措施，通过计算验证了该措施能有效降低结构内外温差和温度应力，以及新老混凝土结合面应力。文献[7]验证了夏季内降外保(内通冷却水、外贴保温板)和冬季贴保温板的温控防裂效果，采用的技术措施可有效降低结构内外温差及后期降温速率，减小温度应力。文献[8]分析了昼夜温差对施工期渡槽结构温度应力的影响，计算结果说明昼夜温差作用会使结构表面和内部均产生较大应力波动，对施工期温控防裂不利。文献[9]在考虑昼夜温差的前提下，分析了偶遇寒潮对渡槽结构早期温度和应力的影响，计算表明靠近顶板的侧墙上部为开裂危险部位，且其应力的波动幅度与气温变幅成正比。

以上研究对渡槽结构施工期的开裂部位及原因进行了系统分析，并且验证了传统保温措施对防止开裂能起到一定作用，但在高温和低温季节施工期的温控防裂新方法及其效用方面缺少系统分析。为填补这一空缺，本文借鉴以往渡槽温控防裂经验，结合鄂北调水工程中的渡槽工程实际，开展了七方渡槽施工期温控防裂仿真分析研究，针对高温和低温季节的薄壁渡槽槽身施工期进行了温度和应力分析，分别提出了模板外贴保温板和蒸汽大棚保温的温控技术方案，为温控防裂方案的合理制定提供了参考依据。

1 工程概况

鄂北地区水资源配置工程枣阳段七方渡槽总长为 4 020 m，共134跨，为30 m一跨，是目前世界上已建或在建的长度最长现浇梁式渡槽。槽身混凝土设计指标为C50W8F150，属高强高性能预应力钢筋混凝土，采用现浇施工，单槽槽身分两层浇筑。槽身结构形式为单孔梁式预应力矩形槽，采用三向预应力钢筋混凝土简支结构。单槽横断面尺寸：内轮廓为6.4 m×4.9 m(净宽×净高)，外轮廓为8.6 m×7.0～6.5 m，底板厚为0.4 m，边墙厚度为0.5 m，空槽重量约为1 135 t。槽身上部设拉杆，外设底肋、侧肋。渡槽槽身跨中横断面结构如图1所示。

图1 七方渡槽槽身跨中横断面结构示意(单位：mm)

2 薄壁渡槽开裂原因及温控防裂重难点分析

2.1 薄壁渡槽开裂原因

薄壁渡槽结构施工期裂缝根据出现时间可分为早期裂缝、后期裂缝两种。早期裂缝主要出现在浇筑初期，由于水泥水化反应的影响，薄壁渡槽结构内部温度在短时期内大幅升高，外部混凝土由于散热快而温度相对较低，形成内外温差。过大的内外温差导致薄壁渡槽结构内外变形不一致，产生相对变形，表面产生拉应力。当结构表面因温差产生的拉应力超过混凝土在此刻的抗拉强度时就会产生裂缝。

降温阶段，由于薄壁渡槽结构受外界温度影响大，内部温降幅度大，产生收缩变形，过大的收缩变形使得结构内部早期的压应力转化为拉应力。当由于温缩造成的拉应力超过混凝土的抗拉强度时裂缝就产生了。随着裂缝向表面的发展，最终将形成贯通裂缝，这种裂缝称为后期裂缝[10]。

2.2 温控防裂重难点分析

基于上述薄壁渡槽混凝土温度裂缝形成机理可知，如何有效控制混凝土内外温差、减小结构温降幅度是渡槽温控防裂中最重要的难题。本文针对这一难点，从降低外界温度对薄壁渡槽影响的角度出发，提出了夏季采用模板外粘保温板和冬季采用蒸汽大棚保温的方法，以抑制内外温差增大、减小温降幅度。夏季模板外粘保温板，即在模板表面粘贴一定厚度高发泡EPE聚乙烯保温材料进行保温；冬季蒸汽大棚保温，即对整跨渡槽进行封闭覆盖式蒸汽蒸养，防止渡槽混凝土暴露在大风、低温的外部环境中。下文则通过渡槽施工期全过程的有限元仿真计算，旨在验证上述温控措施对渡槽防裂的积极效用。

3 计算模型及工况

3.1 计算模型

槽身混凝土各项参数见表1所示。

表1 槽身混凝土各项参数

计算中考虑混凝土材料参数及水泥水化热随龄期的变化，各参数的拟合关系式如下[11]。

混凝土弹性模量：

E(τ)=36.7(1-e-0.40τ0.60) (GPa)

(1)

混凝土抗拉强度：

R(τ)=3.12(1-e-0.586τ0.576)

(2)

混凝土自生体积变形：

εV=186.66

(3)

式中：

τ——混凝土龄期，d。

枣阳当地7月和12月的多年月平均气温分别为27.6℃和4.2℃。

槽身分两层浇筑，第1层浇筑纵梁、底肋及底板以上至墙体底“八”字以上垂直段50 cm处；第2层浇筑上部结构，包括墙体、人行道及拉杆梁；第1层和第2层浇筑间歇7 d，总计算时长为35 d。由于渡槽槽身配筋率较低，对内部混凝土导热性能的影响十分有限，槽身钢筋对施工期混凝土的温度场及温度应力影响很小，另外预应力钢筋一般在混凝土强度达到设计强度的80%后才进行张拉，对施工期内的温度裂缝和收缩裂缝问题也并未起到效用，因此，计算中不考虑钢筋作用[12]。槽身有限元模型如图2所示。

图2 槽身有限元模型示意

在温度场仿真计算时，假定槽身主梁与槽墩连接的面为绝热边界，其他面为热量交换边界；在应力场计算时，对槽身主梁与槽墩连接的面施加全约束，同时考虑施工过程中槽身混凝土底面采用碗扣式(扣件架)落地满堂支撑，因此，对槽身混凝土结构底面施加竖向约束。

仿真计算采用基于水化度的混凝土温度与应力计算理论与模型，考虑水化反应本身对混凝土绝热温升、弹性模量以及抗拉强度的影响。计算过程中考虑的荷载除了包括混凝土结构的温度荷载外，还有混凝土自重和体积变形引起的荷载等。

计算考察槽身主梁、底板、次梁及侧墙4个部位的温度和应力状况，每个部位内外各选取1个特征点，共8个特征点(如图3所示)。

图3 渡槽特征点点示意

其中主梁特征点1、2位于邻近跨中断面的a-a断面上(如图4所示)；点3～8位于跨中断面上。

图4 主梁特征点点所处断面示意

3.2 计算工况

根据施工进度和边界条件计算渡槽温度场，在此基础上进行各时段的温度应力计算，据此评判混凝土的温度拉应力是否超出允许范围，计算采用的主要工况见表2所示。

表2 计算工况 ℃

4 计算结果分析

1) 开裂危险部位确定

工况1下渡槽槽身各部位特征点温度历时曲线如图5所示。

图5 工况1槽身各部位特征点温度历时曲线示意

由图5可知，槽身混凝土浇筑后，由于水泥水化热的作用，温度急剧上升，其中主梁温度峰值最高，主梁中心点在1.5 d左右达到最大值50.97℃；由于浇筑时采用钢模板且未采取其他保温措施，主梁临空面相当于直接与空气接触，放热较快，因此，主梁外表面点温度最大值仅为37.47℃，且达到峰值时间较中心点缩短，约在浇筑后0.9 d。主梁各部位温度达到峰值后，由于混凝土表面的散热，混凝土温度下降很快，以中心点为例，达到温度峰值后10 d下降了21.22℃，平均每天下降2.12℃。主梁混凝土在浇筑后1.8 d左右内外温差达到最大值14.50℃。

底板、次梁和侧墙混凝土的温度变化规律与主梁相似，具体温度特征值见表3所示。

表3 工况1槽身各部位特征点温度特征值

工况1下槽身各部位特征点的第一主应力如图6所示。

图6 工况1槽身主梁第一主应力历时曲线示意

由图6可知，主梁中心点应力随内外温差增大而呈受压状态，外表面点应力随内外温差增大而呈受拉状态，在内外温差达到最大值时，内部混凝土压应力和外部混凝土拉应力均达到最大状态，且外部混凝土应力超过混凝土抗拉强度，可能会出现“自外而内”的表面裂缝。之后，随着内外温差的减小，主梁中心点的压应力和外表面点的拉应力均呈逐渐减小的趋势，直至稳定。

通过以上分析可知，渡槽槽身混凝土施工中，主梁的最高温度、内外温差以及外表面拉应力均最大，是温度裂缝产生的最危险部位，故以下各工况对比分析中，主要考察主梁温度和应力情况。

2) 夏季模板外粘保温板

工况2中模板外贴2 cm厚EPE保温板，工况3中模板外贴3 cm厚EPE保温板。混凝土与空气接触时的对流换热系数取β=53.0 kJ/(m2·h·℃)。当混凝土表面存在模板和保温材料时，按下式计算等效对流换热系数：

(4)

式中：

δi——各种保温材料或模板的厚度，m；

λi——各种保温材料或模板的导热系数，kJ/(m·h·℃)；

βq——表面空气或水的对流换热系数，kJ/(m2·h·℃)。

由上式计算得模板外贴2 cm和3 cm的EPE保温板时的对流换热系数分别为6.34 kJ/(m2·h·℃)和4.40 kJ/(m2·h·℃)。工况1、工况2、工况3下主梁特征点温度历时曲线分别如图7所示。

图7 各工况下主梁特征点温度历时曲线示意

由图7可知，模板外贴保温板后，内外温度峰值均明显升高，温度上升和下降的幅度明显减小。工况1主梁内外温差最大值为14.50℃，工况2主梁内外温差最大值为5.37℃，工况3主梁内外温差最大值为4.17℃，可见外贴保温板能有效降低混凝土内外温差。

但工况3中主梁中心点最大温度为61.82℃，超过了设计温控指标中指定的混凝土内部允许最高温度60℃，因此，不宜采用。

进一步分析工况2下主梁应力状态，其特征点的第一主应力历时曲线如图8所示。

图8 工况1、2主梁特征点第一主应力历时曲线示意

由图8可知，模板外贴2 cm保温板能有效降低主梁外表面点的拉应力至混凝土抗拉强度以下。原因在于，外贴保温板通过降低混凝土表面散热，缩小了混凝土内外温差，进而降低了其外表面的拉应力值。

综上所述，夏季槽身混凝土施工中，采用模板外贴EPE保温板的温控措施效果良好，能有效降低施工期开裂的风险。2 cm厚度的保温板既能满足主梁外表面拉应力降低到抗拉强度以下，又避免了内部温度过高超过允许值，为合适厚度。

3) 冬季蒸汽大棚

工况4、5下的主梁特征点温度历时曲线如图9所示。

图9 工况4、5主梁特征点第一主应力历时曲线示意

由图9可知，采用蒸汽大棚保温，增大了主梁混凝土温度峰值，但有效减小了主梁内外温差，明显减缓了主梁混凝土降温阶段的温降绝对值及温降幅度，两工况主梁特征点具体温度特征值见表4所示。

表4 工况4、5主梁特征点温度特征值 ℃

由图9可知，工况5采用蒸汽大棚保温时，主梁外表面点拉应力始终处于安全范围，而对工况4直接处于外界气温下的主梁外表面拉应力，在浇筑后的2d内十分接近混凝土抗拉强度，极易发生开裂。原因在于处于外界低温环境下的主梁外表面，其散热加快，使得温升期内外温差过大，导致表面拉应力增大，而大棚内的适宜温度环境有效减缓了混凝土表面散热，抑制了内外温差的进一步加大。

综上所述，冬季槽身混凝土施工中采用蒸汽大棚保温，可以有效抵御因混凝土内外温差过大导致的开裂。

5 结语

本文通过有限元计算模拟了七方渡槽槽身混凝土施工全过程，通过温度及应力情况分析，判断了主梁为温度裂缝产生的最危险部位。并以主梁内外温差、最高温度以及表面拉应力为依据，对比分析了夏季、冬季是否采用温控措施的各个工况，验证了夏季模板外粘保温板、冬季采用蒸汽大棚保温能有效降低结构内外温差、减小温度应力至安全范围，并且确定了夏季渡槽槽身施工中模板外贴保温板适宜厚度为2cm，为七方渡槽槽身混凝土温控防裂措施的制定提供了技术依据。