蔣俊峰

摘 要：牤牛河南支渡槽采用C50高性能混凝土，發(fā)熱速度快，發(fā)熱量高。渡槽一旦出現(xiàn)表面裂縫或貫穿性裂縫，將會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)的整體性、安全性、抗?jié)B性和耐久性造成很大的影響，因此，必須采取措施控制渡槽混凝土的溫度應(yīng)力，以有效防止裂縫，保證工程質(zhì)量。為之，對(duì)該工程大體積混凝土施工溫度控制進(jìn)行了研究，通過本次仿真計(jì)算，遴選不同月份施工時(shí)渡槽混凝土的溫控措施及溫度控制指標(biāo)，以指導(dǎo)施工，達(dá)到渡槽混凝土施工期防裂的目的。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土 溫度控制 施工方案 數(shù)值分析

中圖分類號(hào)：U44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（c）-0084-05

1 工程概況

1.1 南水北調(diào)中線一期牤牛河南支渡槽工程概況

1.1.1 牤牛河南支渡槽工程概況

南水北調(diào)中線一期總干渠漳河北～古運(yùn)河南中線建管局直管工程牤牛河南支渡槽由退水閘、進(jìn)口節(jié)制閘、渡槽、出口檢修閘組成綜合樞紐工程，起點(diǎn)樁號(hào)29+304，終點(diǎn)樁號(hào)29+728其中：槽身段起點(diǎn)樁號(hào)29+386 m，終點(diǎn)樁號(hào)29+626 m，共分8跨，單跨長(zhǎng)30 m，全長(zhǎng)240 m。渡槽上部槽身為三槽一聯(lián)帶拉桿預(yù)力鋼筋混凝土梁式矩形槽。槽身寬度24.3 m，上部翼緣外側(cè)寬度25.5 m。槽身過水?dāng)嗝娉叽?.0 m（寬）×6.5 m（高）×3槽，槽內(nèi)設(shè)計(jì)水深5.55 m，加大水深6.11 m，渡槽縱坡i=1/3550。30 m跨單槽斷面尺寸為7.0×6.5 m，邊墻厚0.6 m，頂部設(shè)2.7 m寬人行道板；中墻厚0.7 m，頂部設(shè)3.0 m寬的人行道板。后澆帶設(shè)置在各跨槽身兩端，寬0.58 m。槽身現(xiàn)澆混凝土10586.6 m3，鋼筋制安906.2 t，預(yù)力鋼筋制安383.9 t，預(yù)力鋼絞線制安295.5 t。其工程量見表1所示。

1.1.2 牤牛河南支渡槽工程氣象條件

牤牛河南支渡槽地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。年平均氣溫13.1 ℃，年內(nèi)氣溫變化明顯。一月份多年平均氣溫-2.3 ℃，極端最低氣溫為-19 ℃；七月份多年平均氣溫26.5 ℃，極端最高氣溫42.3℃。

牤牛河南支渡槽地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。年平均氣溫13.1 ℃，年內(nèi)氣溫變化明顯。一月份多年平均氣溫-2.3 ℃，極端最低氣溫為-19 ℃；七月份多年平均氣溫26.5 ℃，極端最高氣溫42.3 ℃。

2 牤牛河南支渡槽施工期溫控?cái)?shù)值模擬

牤牛河南支渡槽采用C50高性能混凝土，發(fā)熱速度快，發(fā)熱量高。對(duì)于槽身底板、側(cè)墻、縱梁和橫梁等薄壁結(jié)構(gòu)，在澆筑早期容易出現(xiàn)較大的內(nèi)外溫差，導(dǎo)致表面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，如果此時(shí)再有寒潮出現(xiàn)，極易產(chǎn)生“由外而內(nèi)”的表面裂縫，并可能進(jìn)而發(fā)展成為貫穿性裂縫。渡槽一旦出現(xiàn)表面裂縫或貫穿性裂縫，將會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)的整體性、安全性、抗?jié)B性和耐久性造成很大的影響，因此，必須采取措施控制渡槽混凝土的溫度應(yīng)力，以有效防止裂縫，保證工程質(zhì)量。

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算整體坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)位于渡槽端部縱邊梁底部外側(cè)端點(diǎn)以外0.6 m處，與邊墻走廊的外側(cè)端點(diǎn)在同一垂線上。x軸正向?yàn)閺目缍肆飨蚩缰蟹较颍粂軸為垂直水流方向，正向?yàn)檫厜χ赶蛑袎?；z軸正向?yàn)殂U直向上（整體坐標(biāo)系見圖1所示）。

由于對(duì)稱，取單跨渡槽的1/4作為分析對(duì)象，計(jì)算模型采用等參8結(jié)點(diǎn)六面體空間單元，共計(jì)劃分9680單元，14451結(jié)點(diǎn)。溫度場(chǎng)計(jì)算中：渡槽對(duì)稱面作為絕熱面，施加絕熱邊界條件，其余各面都與空氣接觸，此邊界上存在與空氣的熱對(duì)流，屬于熱分析中的第三類邊界條件，在應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí)，考慮到施工過程中，漕身混凝土底面采用滿堂支架支撐。

2.2 有熱源混凝土結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定溫度場(chǎng)分析原理

在渡槽混凝土施工期，由于水泥水化熱的作用，混凝土的溫度將隨時(shí)間而變化。這個(gè)問題為具有內(nèi)部熱源的熱傳導(dǎo)問題。由熱傳導(dǎo)理論，這種不穩(wěn)定溫度場(chǎng)T（x，y，z，τ）在區(qū)域R內(nèi)應(yīng)滿足下列方程不穩(wěn)定溫度場(chǎng)的熱傳導(dǎo)方程，熱傳導(dǎo)問題等價(jià)于下列泛函的極值問題：

（1）

用有限單元法求解不穩(wěn)定溫度場(chǎng)有顯式解法和隱式解法兩種方法，兩者的區(qū)別在于對(duì)單元區(qū)域內(nèi)泛函（1）中的處理不同，顯式解法認(rèn)為當(dāng)單元充分小時(shí)，可近似假定在單元內(nèi)均勻分布，而隱式解法令：

（2）

由此導(dǎo)致兩者在時(shí)間域上的差分也不同。顯式解法可根據(jù)未知結(jié)點(diǎn)上一時(shí)刻本身及所有相關(guān)結(jié)點(diǎn)的溫度值直接得到當(dāng)前時(shí)刻的值，而隱式解法需要求解聯(lián)立的線性方程組。因此，本報(bào)告計(jì)算使用的程序采用隱式解法，進(jìn)一步求得：

（3）

把（3）代入（4）中，得到

（4）

通過對(duì)空間不穩(wěn)定溫度場(chǎng)的時(shí)間離散和空間離散，得到大壩不穩(wěn)定溫度場(chǎng)有限元計(jì)算的控制方程：

（5）

在上式中，、是已知的，而是未知量，因此上式是關(guān)于的線性方程組，解之，即得到各結(jié)點(diǎn)在時(shí)的溫度。

2.3 水工混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及徐變應(yīng)力場(chǎng)三維計(jì)算程序

計(jì)算使用的溫度場(chǎng)及徐變應(yīng)力場(chǎng)三維計(jì)算程序用ansys大型軟件，主要特點(diǎn)為：（1） 具有良好的商用有限元分析軟件的數(shù)據(jù)前處理接口。（2）能夠模擬混凝土建筑物的實(shí)際施工過程和運(yùn)行過程，可以考慮混凝土澆筑層數(shù)、計(jì)算網(wǎng)格、邊界條件、材料參數(shù)、絕熱溫升過程都隨計(jì)算時(shí)間的變化。（3）能夠模擬澆筑溫度、水管冷卻（一期冷卻及二期冷卻）、層面流水、越冬面底部加溫等不同溫控措施的影響。（4）仿真計(jì)算過程時(shí)間步長(zhǎng)的自動(dòng)選取。對(duì)混凝土澆筑過程的實(shí)時(shí)模擬是仿真分析的重要內(nèi)容。（5）實(shí)現(xiàn)了混凝土建筑物澆筑過程中邊界條件的自動(dòng)搜索及處理功能。當(dāng)分析結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，較難處理的是伴隨分層澆筑而引起的邊界條件的不斷變化。（6）提供多種單元類型并具有多種求解器，可利用微機(jī)進(jìn)行大體積混凝土結(jié)構(gòu)的仿真分析及一般結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形分析。

2.4 基本資料及計(jì)算邊界條件

2.4.1 單跨渡槽的施工情況

單跨渡槽的施工情況如下：首先澆筑下層混凝土，包括縱梁、橫梁及底板部分，下層混凝土澆筑到立墻“八”字墻以上60 cm，間歇10天內(nèi)澆筑上層混凝土一直至頂。渡槽的可施工期為每年的3月份～11月份，12月份至次年2月份停澆。

2.4.2 計(jì)算采用的基本資料

磁縣地區(qū)不同月份的多年月平均氣溫見表2所示。不同齡期混凝土的絕熱溫升用公式：來擬合，其中及d為常數(shù)，混凝土的絕熱溫升公式見表3所示。不同齡期混凝土彈性模量的公式用E=來擬合，其中、a、b為常數(shù)?；炷恋淖陨眢w積變形見表4所示。

混凝土的徐變度采用如下公式：

牤牛河南支渡槽混凝土不同齡期溫度應(yīng)力控制按下式進(jìn)行：

（6）

其中：各種溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力之和，MPa；混凝土極限拉伸值，重要工程須通過試驗(yàn)確定；混凝土彈性模量；安全系數(shù)，一般采用1.5～2.0；視工程重要性和開裂的危害性而定。

牤牛河南支渡槽工程安全系數(shù)取1.5。冷卻水管參數(shù)見表5。不同保溫材料參數(shù)表見表6。

2.4.3 仿真計(jì)算步長(zhǎng)及采用的氣溫

仿真計(jì)算時(shí)段為開始施工以后30天，計(jì)算過程中采用的氣溫為旬平均氣溫?；炷翝仓?天內(nèi)計(jì)算步長(zhǎng)取0.2天，澆筑后5天內(nèi)計(jì)算步長(zhǎng)取0.5天，澆筑后30天內(nèi)計(jì)算步長(zhǎng)取1天。因?yàn)槎刹劭稍?月份～11月份任何一個(gè)月內(nèi)施工，因此，仿真計(jì)算按照每個(gè)可施工月份分別進(jìn)行分析。

3 牤牛河南支渡槽施工期溫控?cái)?shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 計(jì)算成果整理

計(jì)算成果的整理以典型點(diǎn)過程線統(tǒng)計(jì)表為主。為了分析渡槽不同部位混凝土內(nèi)部及表面點(diǎn)溫度及應(yīng)力的變化規(guī)律，選取典型點(diǎn)繪制其施工期溫度及應(yīng)力變化過程線。通過上述成果整理形式，可有效總結(jié)不同部位混凝土的溫度及應(yīng)力變化規(guī)律。過程線整理選取有代表性的5個(gè)關(guān)鍵部位10個(gè)節(jié)點(diǎn)。

端部縱梁內(nèi)外點(diǎn)：1#內(nèi)部點(diǎn)坐標(biāo)（2.5，8.9，1.7），2#表面點(diǎn)坐標(biāo)（2.5，9.9，1.7）；橫梁內(nèi)外點(diǎn)，3#內(nèi)部點(diǎn)坐標(biāo)（1.23，12.75，1.7），4#表面點(diǎn)坐標(biāo)（1.58，12.75，1.7）；底板內(nèi)外點(diǎn)，5#內(nèi)部點(diǎn)坐標(biāo)（11.22，5.025，2.1），6#表面點(diǎn)坐標(biāo)（11.22，5.025，2.3）；側(cè)墻內(nèi)外點(diǎn)，7#內(nèi)部點(diǎn)坐標(biāo)（11.22，8.9，7.55），8#表面點(diǎn)坐標(biāo)（11.22，9.25，7.55）；靠近側(cè)墻結(jié)合面上部的內(nèi)外點(diǎn)，9#內(nèi)部點(diǎn)坐標(biāo)（11.22，8.9，4.7），10#表面點(diǎn)坐標(biāo)（11.22，8.55，4.7）。新老混凝土結(jié)合面內(nèi)點(diǎn)，11#內(nèi)部點(diǎn)坐標(biāo)（11.22，8.9，3）。各點(diǎn)所在位置示意圖如圖2、圖3所示。

3.2 不同月份澆筑的渡槽混凝土溫度及應(yīng)力分析

選擇9月為典型月份分析，單跨渡槽在9月份澆筑，假定9月10號(hào)澆筑完成下層混凝土，間歇10天后，再澆筑上層混凝土，兩層混凝土澆筑溫度取旬平均氣溫，混凝土外部貼2 cm苯板保溫，側(cè)墻和縱梁內(nèi)通冷水管。縱梁、橫梁、側(cè)墻、底板、結(jié)合面混凝土內(nèi)外溫差變化規(guī)律見圖4～圖9所示，具體特征值見表7所示。

3.3 解決新老混凝土結(jié)合面附近應(yīng)力過大問題的溫控優(yōu)化

從3月份～11月份的計(jì)算成果來看，在施工期的不同月份，新老混凝土附近的混凝土均存在順?biāo)鞣较蛩綉?yīng)力σx超標(biāo)現(xiàn)象，超標(biāo)范圍為結(jié)合面以上30 cm～2.0 m處。因此，對(duì)3月份～11月份澆筑的渡槽混凝土。解決的方法有兩種：降低混凝土澆筑溫度和通水冷卻。結(jié)合工地現(xiàn)場(chǎng)的條件，降低混凝土的澆筑溫度可能不易實(shí)現(xiàn)，因此主要研究通水冷卻問題。

在澆筑第二層混凝土?xí)r，在側(cè)墻內(nèi)部布設(shè)冷卻水管進(jìn)行通水冷卻，從結(jié)合面處向上30 cm布置第一層，向上每隔50 cm布置一層；冷卻水管采用內(nèi)徑48 mm鋼管，壁厚3 mm。冷卻水溫度6、7、8月份采用15 ℃冷水，其他月份采用12 ℃冷水，冷卻通水時(shí)間3天，每12 h調(diào)換一次通水方向。對(duì)第二層側(cè)墻混凝土通水以后，從新老混凝土結(jié)合面附近混凝土典型點(diǎn)溫度變化過程線可以看出：3月施工通水后最高溫度只有35.1℃；通水后最高溫度出現(xiàn)在澆筑后1.0天。因?yàn)榈诙觽?cè)墻混凝土最高溫度的降低，結(jié)合面附近混凝土后期應(yīng)力有了很大的消減。

4 牤牛河南支渡槽施工期溫控操作工藝流程

根據(jù)牤牛河南支渡槽施工期溫控防裂仿真研究結(jié)果和根據(jù)工程要求，渡槽混凝土溫控僅對(duì)槽身混凝土展開，混凝土施工期溫控工藝如下。

4.1 準(zhǔn)備工作

鋼模板外貼聚乙烯苯板：為簡(jiǎn)化工藝流程和經(jīng)濟(jì)性的考慮，春夏秋冬季均外貼2.0 cm厚。

布置冷卻管并檢查密封性；為了控制新老混凝土結(jié)合面附近混凝土和縱梁內(nèi)的最高溫度和內(nèi)外溫差，必須在縱梁和每個(gè)隔墻的第二層混凝土中埋設(shè)冷卻水管通水冷卻，從混凝土新老混凝土結(jié)合面向上30 cm布置第一層，再向上每隔50 cm布置一層。對(duì)每個(gè)縱梁和隔墻（邊墻及中墻）布置一根冷卻水管在隔墻的中剖面，采用內(nèi)徑Φ48 mm鋼管，壁厚3 mm。冷卻水溫度6、7、8月份采用15℃冷水，其他月份采用12 ℃冷水，冷卻通水時(shí)間3天，每12 h調(diào)換一次通水方向，通水流速不小于1.20 m/s?？紤]到在實(shí)際施工時(shí)，上述冷卻水管布置的剖面與預(yù)應(yīng)力管布置的剖面重合，因此，可以考慮在隔墻兩側(cè)布置兩根內(nèi)徑Φ34 mm鋼管，冷卻水溫度6、7、8月份采用15 ℃冷水，其他月份采用12 ℃冷水，冷卻通水時(shí)間3天，每12 h調(diào)換一次通水方向，通水流速不小于1.20 m/s。通水時(shí)，應(yīng)遵循“先通水后澆筑”的原則。由于C50混凝土前期1～2天內(nèi)發(fā)熱速度很快，發(fā)熱量較高，為了充分利用水管通水削峰的效果，應(yīng)在澆筑混凝土前提前進(jìn)行通水。

準(zhǔn)備好冷卻水源、保溫材料、水表、水泵等后續(xù)溫控所需?，F(xiàn)場(chǎng)按每個(gè)通水冷卻工作面配一臺(tái)LS100型的制冷機(jī)（41.868×104kJ/h），水溫按要求控制。拌和用冷卻水也采用LS100型的制冷機(jī)冷卻，以滿足拌制混凝土冷卻水的需求。為了減小施工現(xiàn)場(chǎng)冷卻水的“冷損”，建議采用300 m深井井水，用Φ100 mm的PE管埋入地表大于30 cm至施工現(xiàn)場(chǎng)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)冷卻水的溫度和流量需要。

4.2 混凝土入倉(cāng)前

混凝土入倉(cāng)溫度控制在26 ℃。采用人工制冷水拌制混凝土，有關(guān)混凝土入倉(cāng)前的出機(jī)口溫度和入倉(cāng)溫度的控制方法請(qǐng)見相關(guān)規(guī)范。仿真分析顯示夏季30 ℃的混凝土入倉(cāng)溫度對(duì)溫差和應(yīng)力水平有一定的影響，在特別困難的情況下不得超過此溫度。

4.3 澆筑過程

要盡可能早地開始通冷卻水，應(yīng)采用“邊澆筑邊通水”的方式，且在開始時(shí)要滿流量、大流速且低水溫的方式通水。同時(shí)，在澆筑過程應(yīng)注意調(diào)整好流量、流速和水溫。

4.4 澆筑完成

（1）倉(cāng)面保溫：混凝土澆筑完成后，應(yīng)立即對(duì)倉(cāng)面采用聚乙烯苯板覆蓋，且覆蓋盡量嚴(yán)密，尤其四周不能留有太大空隙，應(yīng)用重物（如磚頭）壓密，避免漏風(fēng)。倉(cāng)面保溫持續(xù)8 d及以上。

（2）初始監(jiān)測(cè)和記錄：監(jiān)測(cè)和記錄內(nèi)容包括澆筑完成時(shí)間、天氣情況、氣溫、風(fēng)速、水管流量（流速）、水溫、混凝土各測(cè)點(diǎn)溫度等數(shù)據(jù)和信息。

4.5 施工期

適時(shí)調(diào)整/改變水管通水過程：（1）在正常情況下，不同季節(jié)水管通水過程見表8所示。其中不同季節(jié)冷卻水溫度若采用地下水達(dá)不到要求，則應(yīng)采用制冷水；（2）與溫控指標(biāo)相比，若超過溫控指標(biāo)，則在適當(dāng)時(shí)刻加大通水力度（如降低冷卻水溫、增大流量等，以增大流量為主），若低于溫控指標(biāo)，則應(yīng)適當(dāng)減小通水力度。

拆模：拆模時(shí)間根據(jù)施工進(jìn)度和模板周轉(zhuǎn)需求合理確定，但需注意幾點(diǎn)：（1）拆模時(shí)間不能過短，過短易出現(xiàn)早期的表面裂縫，夏季不少于3 d，冬季不少于6 d；（2）拆模后應(yīng)盡快用一層毛氈覆蓋，覆蓋7 d以上；（3）拆模后及時(shí)檢查表面是否開裂，做到邊拆模邊檢查邊覆蓋；（4）拆模時(shí)機(jī)選擇在日氣溫的較高時(shí)間段，例如高溫天氣的下午14：00時(shí)附近；（5）拆模的定義為松模瞬間，考慮松模到拆掉模板需要較長(zhǎng)時(shí)間，而這段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)非常關(guān)鍵。

掀除表面保溫：為了便于施工，不同結(jié)構(gòu)采用相同保溫力度。需要指出，在掀除表面保溫后，應(yīng)每隔一段時(shí)間檢查表面開裂情況，并及時(shí)反饋。

基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，施工過程中，通過溫度控制，墻身上部表面受壓，應(yīng)力變化較緩，中部先受壓后受拉且應(yīng)力變化較快，下部應(yīng)力水平始終較低，老混凝土受壓增大。全部測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均無高于1 MPa的拉應(yīng)力，滿足混凝土早期抗拉要求。

5 結(jié)論

牤牛河南支渡槽采用C50高性能混凝土，發(fā)熱速度快，發(fā)熱量高。對(duì)于槽身底板、側(cè)墻、縱梁和橫梁等薄壁結(jié)構(gòu)，在澆筑早期容易出現(xiàn)較大的內(nèi)外溫差，導(dǎo)致表面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，如果此時(shí)再有寒潮出現(xiàn)，極易產(chǎn)生“由外而內(nèi)”的表面裂縫，并可能進(jìn)而發(fā)展成為貫穿性裂縫。

渡槽一旦出現(xiàn)表面裂縫或貫穿性裂縫，將會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)的整體性、安全性、抗?jié)B性和耐久性造成很大的影響，因此，必須采取措施控制渡槽混凝土的溫度應(yīng)力，以有效防止裂縫，保證工程質(zhì)量。本次仿真計(jì)算的目的旨在遴選不同月份施工時(shí)渡槽混凝土的溫控措施及溫度控制指標(biāo)，以指導(dǎo)施工，達(dá)到渡槽混凝土施工期防裂的目的。

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