范洪浩，鄧春林，趙利平，張琴飛，凌云，歐陽(yáng)偉，鄭星偉

（1.衢州市港航管理局，衢州324000；2.衢州市衢江航運(yùn)開(kāi)發(fā)工程項(xiàng)目建設(shè)指揮部，衢州324000；3.中交四航工程研究院有限公司，廣州510230；4.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙410114；5.浙江省第一水電建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，杭州310051；6.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州510006）

安仁鋪船閘邊墩混凝土溫度監(jiān)測(cè)及有限元模擬分析

范洪浩1，2，鄧春林3，趙利平4，張琴飛2，凌云5，歐陽(yáng)偉6，鄭星偉2

（1.衢州市港航管理局，衢州324000；2.衢州市衢江航運(yùn)開(kāi)發(fā)工程項(xiàng)目建設(shè)指揮部，衢州324000；3.中交四航工程研究院有限公司，廣州510230；4.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙410114；5.浙江省第一水電建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，杭州310051；6.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州510006）

船閘邊墩屬于大體積混凝土，施工前進(jìn)行混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算是控制裂縫的關(guān)鍵，而掌握混凝土內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化是計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度應(yīng)力的前提?，F(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)和有限元計(jì)算得到的混凝土內(nèi)部的溫度變化規(guī)律，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性，為類似工程通過(guò)有限元計(jì)算控制混凝土溫度裂縫提供了技術(shù)支撐。

船閘；混凝土；溫度；有限元

船閘混凝土溫度裂縫問(wèn)題已經(jīng)受到業(yè)界的廣泛關(guān)注［1-5］，但是船閘裂縫問(wèn)題依然突出。衢州安仁鋪船閘輸水廊道邊墩體積較大，單層澆筑厚度為3.5m，長(zhǎng)邊和短邊尺寸為10.5m和9.5m，單塊澆筑量接近200m3，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。邊墩澆筑在厚度為3m、強(qiáng)度等級(jí)也為C25的混凝土底板上，邊墩的構(gòu)造示意圖見(jiàn)圖1所示［6］。大體積混凝土水化熱與裂縫的控制息息相關(guān)，了解大體積混凝土內(nèi)部的升溫、降溫情況是混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力分析的前提。安仁鋪船閘上閘首邊墩混凝土澆筑前，在邊墩中部截面由外向內(nèi)、由下至上共埋設(shè)了11個(gè)溫度傳感器，在澆筑后0～45 d內(nèi)，一般每隔2 h監(jiān)測(cè)一次各點(diǎn)溫度。同時(shí)采用MIDAS FEA軟件計(jì)算了圖1所示構(gòu)造內(nèi)部溫度隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律。實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元計(jì)算的結(jié)果基本接近，并利用MIDAS軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后續(xù)部位混凝土溫度裂縫控制。

圖1 邊墩示意圖Fig.1 Sketch of side pier

1 邊墩混凝土溫度監(jiān)測(cè)

安仁鋪船閘上閘首邊墩采用C25混凝土，水膠比0.44，膠凝材料用量350 kg/m3，水泥占80%，粉煤灰占20%。圖1中網(wǎng)格部分尺寸是2.05m×4.5m×3.5m的混凝土塊體，將塊體沿邊界剖開(kāi)后見(jiàn)圖2。圖2六面體正面尺寸為2.05m×3.5m，六面體正面、右側(cè)面為混凝土內(nèi)部剖面，六面體左側(cè)面、背面、頂面與大氣接觸，六面體底面為3m厚的C25混凝土底板。在正面由外向內(nèi)埋設(shè)6個(gè)傳感器，編號(hào)分別為D1～D6，D1距離混凝土表面5cm，各傳感器間距為40cm，布置在同一水平高度。由上至下共埋設(shè)了6個(gè)溫度傳感器，編號(hào)分別為D6～D11，D11埋設(shè)于澆筑界面上5cm，D6～D11各傳感器的高度差為30cm，各傳感器在同一鉛垂線上?；炷翝仓?，每隔2h左右監(jiān)測(cè)一次各點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。

表1 有限元計(jì)算參數(shù)Tab.1 Parameters for finite element calculation

將圖2所示六面體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和有限元計(jì)算計(jì)算，參數(shù)見(jiàn)表1所示，根據(jù)有限元計(jì)算得到邊墩澆筑后0～45d內(nèi)，整個(gè)六面體內(nèi)部的溫度分布云圖，并截取了部分時(shí)間點(diǎn)和部分位置的計(jì)算溫度數(shù)據(jù)，與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

圖2 邊墩傳感器埋設(shè)圖Fig.2 Temperature sensor embedded in side pier

圖3 水平向溫度分布Fig.3 Temperature distribution in horizontal direction

圖4 中心溫度與內(nèi)表溫差Fig.4 Center temperature and temperature difference between inside and surface

2 溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

水平向由內(nèi)向外各點(diǎn)D1～D6及環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖3所示。水平向的溫度梯度反映的是混凝土內(nèi)部與大氣進(jìn)行熱交換的快慢程度，由于邊墩混凝土體積量太大，內(nèi)部的D4、D5、D6 3個(gè)測(cè)點(diǎn)在25 d時(shí)溫度依然超過(guò)40℃，內(nèi)部降溫速率較慢。

圖4是中心溫度和內(nèi)表溫差隨時(shí)間的發(fā)展情況，可以看出，內(nèi)表溫差在5～17 d內(nèi)長(zhǎng)期超過(guò)25℃，10 d左右甚至超過(guò)30℃，大大超過(guò)規(guī)范［8］規(guī)定的25℃的要求。中心點(diǎn)D6在3 d時(shí)溫度達(dá)到71.4℃，3～10 d的降溫速率為1.1℃/d，10～19 d降溫速率為1.6℃/ d，19～30 d降溫速率為0.9℃/d，30～45 d降溫速率為0.3℃/d。降溫速率滿足規(guī)范要求的不大于2℃/d。需要說(shuō)明的是，內(nèi)表溫差和降溫速率往往是相互矛盾的指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)，構(gòu)件的最小邊尺寸越大，內(nèi)表溫差也越大，中心點(diǎn)的降溫速率將越低；構(gòu)件尺寸越小，內(nèi)表溫差一般也比較小，但是中心點(diǎn)的降溫速率一般比較大，最小邊尺寸1m左右的構(gòu)件，中心降溫速率可以達(dá)到6℃/d～7℃/d［9］。

中心點(diǎn)D6的溫度從入模溫度31℃升高至71.4℃，由于邊墩體積較大，中心點(diǎn)D6的溫度基本上可以認(rèn)為是混凝土的絕熱溫升，達(dá)到40.4℃，中心點(diǎn)前80 h的升溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5所示。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出的推薦計(jì)算公式，見(jiàn)式（1），m的取值與放熱速率直接相關(guān)，m值取推薦的最大值0.5時(shí)，混凝土前80 h的絕熱溫升曲線見(jiàn)圖5中的計(jì)算值。可以看出，規(guī)范給出的推薦計(jì)算公式所計(jì)算的放熱速率比實(shí)際監(jiān)測(cè)值要慢很多。

圖5 中心點(diǎn)早期溫度監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值Fig.5 Themonitoring value and calculated value

圖6 豎向溫度發(fā)展Fig.6 Temperature distribution in vertical direction

為獲得公式（1）中合理的m取值，將不同的m值代入公式（1）中，計(jì)算了不同時(shí)刻的溫度值，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，m取1.4時(shí)，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值與理論計(jì)算數(shù)值較吻合，見(jiàn)圖6所示。近年來(lái)，水泥的粉磨細(xì)度提高，水泥的水化放熱速率顯著提高可能是導(dǎo)致實(shí)際m值比規(guī)范推薦值顯著增大的主要原因。

豎向的溫度發(fā)展反映的是邊墩混凝土與底板進(jìn)行熱交換的快慢程度，邊墩澆筑時(shí)，底板已經(jīng)澆筑2個(gè)月以上，底板內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度基本一致。從圖7結(jié)果可以看出，豎向的溫度梯度比水平向小很多，界面處監(jiān)測(cè)點(diǎn)D11在澆筑0～20 d內(nèi)，溫度一直處于55～50℃之間，邊墩混凝土在水化初期將較多熱量傳遞給底板之后，澆筑界面處的溫度在0～10 d內(nèi)基本保持不變，10～20 d期間降溫速率亦非常緩慢，僅為0.5℃/d。

邊墩降溫階段，如果底板也能發(fā)生降溫收縮，可在一定程度上降低邊墩混凝土的降溫收縮應(yīng)力。邊墩混凝土的水化熱必然會(huì)導(dǎo)致底板混凝土溫度的升高，但由于底板未埋設(shè)傳感器，所以通過(guò)水平向溫度傳感器之間的溫度差對(duì)底板的溫升情況進(jìn)行初步估計(jì)。根據(jù)D3～D6傳感器的監(jiān)測(cè)值，計(jì)算了不同溫度下的溫度梯度，換算成每米長(zhǎng)度范圍內(nèi)的溫度差，見(jiàn)圖8所示。溫度低于40℃時(shí)，每米溫差為4℃～5℃，溫度為50℃時(shí)，每米溫差達(dá)到8℃左右，溫度為60℃時(shí)，每米溫差降低至6℃～7℃。根據(jù)界面處的溫度推算，邊墩混凝土澆筑后，邊墩下部的底板上面1m范圍內(nèi)的混凝土溫度可以從環(huán)境溫度25℃左右升高到45℃～50℃。

目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［8］計(jì)算混凝土受外部約束時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，一般都考慮混凝土從最高溫度降低至環(huán)境溫度的總溫差導(dǎo)致的收縮應(yīng)力。由于底板在邊墩混凝土水化時(shí)溫度升高，發(fā)生了膨脹，底板后期的降溫收縮可以釋放一部分邊墩混凝土的降溫收縮應(yīng)力，導(dǎo)致計(jì)算的拉應(yīng)力往往偏大，這在目前的規(guī)范和相關(guān)資料中較少考慮。如圖7中，20 d以后，中心溫度與界面溫度基本保持一致，即與底板上層1m左右混凝土基本接近，邊墩混凝土這個(gè)階段的降溫收縮與底板降溫收縮基本同步，降溫收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小。

圖7 每米溫度差Fig.7 Temperature difference of eachmeter

3 邊墩混凝土有限元模擬結(jié)果分析

利用MIDAS FEA軟件進(jìn)行邊墩混凝土內(nèi)部溫度梯度分布的有限元模擬，得到了邊墩混凝土內(nèi)部在0～45 d內(nèi)的溫度分布云圖。為了對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元模擬數(shù)據(jù)的符合程度，截取了10 d時(shí)的溫度分布云圖，以及表面點(diǎn)D1、中心點(diǎn)D6、澆筑界面點(diǎn)D11在該時(shí)刻的溫度值。

據(jù)計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)比了表面點(diǎn)D1、中心點(diǎn)D6、澆筑界面點(diǎn)D11在各個(gè)時(shí)刻的溫度值（表2）。表面點(diǎn)受氣溫影響較大，計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值的偏差稍大；內(nèi)部點(diǎn)D6和界面點(diǎn)D11計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值的偏差基本小于1.2℃?？梢哉f(shuō)，有限元分析實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)部溫度梯度精確模擬，為后續(xù)構(gòu)件及類似工程施工過(guò)程中，通過(guò)有限元分析數(shù)據(jù)控制混凝土養(yǎng)護(hù)工藝提供了技術(shù)支撐。

表2 各點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison ofmonitoring results and calculation results℃

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)船閘邊墩施工期大體積混凝土內(nèi)部溫度變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元模型計(jì)算結(jié)果的分析比較，可以得出以下結(jié)論：（1）C25混凝土的絕熱溫升約為40.4℃，混凝土前3 d的升溫速率比規(guī)范估算的溫升速率大，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中絕熱溫升計(jì)算公式推薦的m取值為0.3～0.5，而安仁鋪船閘取值為1.4比較合理。（2）邊墩混凝土水化熱可以使底板混凝土溫度升高20～25℃，20 d以后，邊墩中心溫度與水平界面處溫度基本保持一致，邊墩混凝土20 d后的降溫收縮與底板降溫收縮基本同步，降溫收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小。（3）有限元計(jì)算實(shí)現(xiàn)了邊墩內(nèi)部混凝土溫度的精確模擬，計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值的偏差小于1.2℃。（4）邊墩混凝土內(nèi)部溫升較大，溫度降低速率較低，宜在邊墩混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管降溫。

［1］辛彥青，李振聲，劉春俊.船閘混凝土溫度裂縫的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)［J］.水運(yùn)工程，2002，343（8）∶78-80，85. XIN Y Q，LI Z S，LIU C J.Experience and Lessons about Thermal Cracks in Shiplock Concrete［J］.Port&Waterway Engineer?ing，2002，343（8）∶78-80，85.

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［8］GB 50496-2009，大體積混凝土施工規(guī)范［S］.

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Temperaturemonitoring and FEM analysis of side pier concrete of Anrenpu lock

FAN Hong?hao1,2,DENG Chun?lin3,ZHAO Li?ping4,ZHANG Qin?fei2,LING Yun5, OUYANG Wei6,ZHENG Xing?wei2
（1.Quzhou Port and Waterwaymanagement Bureau,Quzhou 324000,China;2.Qujiang shipping development project construction headquarters of Quzhou,Quzhou 324000,China;3.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,LTD.,Guangzhou 510230,China;4.Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114, China;5.Zhejiang Provincial No.1 Water Conservancy&Electric Power Construction Group Holdings Co.,Ltd., Hangzhou 310051,China;6.School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China）

Side pier of lock ismass concrete.Before the construction of the side pier,temperature stress calcu?lation is important for the crack control,and the internal temperature of concrete with time is of vital important to the calculation of temperature stress inside concrete.Through the comparison of in?situ temperaturemonitoring and finite calculation analysis of temperature inside the concrete,the accuracy of the finite element calculation is veri?fied by themonitoring data,and it is possible to control the temperature crack of concrete through the finite element calculation data.

lock;concrete;temperature;finite element

TV 33；U 641

A

1005-8443（2015）03-0244-04

2015-04-14；

2015-05-05

范洪浩（1981-），男，黑龍江五常人，工程師，從事內(nèi)河航運(yùn)開(kāi)發(fā)建設(shè)管理工作。

Biography：FAN Hong?hao(1981-)，male，engineer.