王富強(qiáng)

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春 130021）

1 工程概述

大藤峽水利樞紐工程所在地多年平均氣溫21.5℃，極端最高氣溫39.2℃，極端最低氣溫-3.3℃，30℃以上氣溫出現(xiàn)天數(shù)為100～150d，且寒潮頻繁。樞紐建筑物主要包括泄水閘、船閘和廠房結(jié)構(gòu)，其中船閘結(jié)構(gòu)按3000t級規(guī)模設(shè)計(jì)，主體段總長385.00m，包括上閘首、下閘首、閘室三部分。上閘首順?biāo)鞣较蜷L58.80m，最大高度75.25m，門前部分擋水總寬度113.00m，上閘首被2道縱向結(jié)構(gòu)縫分為了3塊，寬度從左至右分別為45.00，28.00，40.00m。

防裂是大體積混凝土結(jié)構(gòu)的主要任務(wù)，上閘首結(jié)構(gòu)面臨體型大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣溫條件惡劣等不利條件，本文針對上閘首結(jié)構(gòu)，通過有限元仿真計(jì)算確定關(guān)鍵部位的溫控標(biāo)準(zhǔn)，給出相應(yīng)的溫控防裂措施。

2 基本理論及方法

2.1 溫度場基本方程

由熱傳導(dǎo)理論，大體積混凝土結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定溫度場在某一區(qū)域R內(nèi)應(yīng)滿足下列微分方程及相應(yīng)的邊界條件：

第一類邊界條件：混凝土與水接觸，即

第二類邊界條件：混凝土表面熱流量是時(shí)間的已知函數(shù)，即

第三類邊界條件：混凝土表面熱流量與混凝土表面溫度T和氣溫Ta之差成正比，即

式中：T為溫度值；a為導(dǎo)溫系數(shù)；τ為時(shí)間；θ為混凝土絕熱溫升；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；β為表面放熱系數(shù)；n為表面的外法線方向。

2.2 應(yīng)力基本方程

溫度應(yīng)力的計(jì)算方法為增量法，把時(shí)間τ劃分成一系列時(shí)間段，即△τ1，△τ2，……，△τn，在時(shí)段△τn內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變增量為

而與之對應(yīng)的是節(jié)點(diǎn)荷載增量，進(jìn)行單元集成后可得整體的平衡方程：

式中：[K]為單元?jiǎng)偠染仃?；{△δn}為節(jié)點(diǎn)位移增量；{△Pn}為節(jié)點(diǎn)荷載增量。

由{△σn}=E{△εn}，可得{△σn}，累加后得到各單元τn時(shí)刻的應(yīng)力：

混凝土溫度應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)按混凝土極限拉伸值控制，即

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對應(yīng)結(jié)構(gòu)安全級別分別為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級的結(jié)構(gòu)與構(gòu)件，可分別取1.1，1.0，0.9；σ為各種溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力之和；εp為混凝土極限拉伸值的標(biāo)準(zhǔn)值；Ec為彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值；γd3為溫度應(yīng)力控制正常使用極限狀態(tài)短期組合結(jié)構(gòu)系數(shù)。

船閘工程為I級建筑物，γ0取1.1，γd3取1.5，γd3·γ0=1.65定義為安全系數(shù)，若計(jì)算出的安全系數(shù)小于1.65，則判定混凝土存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3 穩(wěn)定溫度場計(jì)算分析

船閘穩(wěn)定溫度場取決于當(dāng)?shù)貧夂驐l件和結(jié)構(gòu)形式，為了計(jì)算船閘大體積混凝土穩(wěn)定溫度場，選取上閘首最大部位左邊墩混凝土進(jìn)行計(jì)算，上閘首左邊墩混凝土最大尺寸為58.80m×45.00m×75.25m（長×寬×高）。穩(wěn)定溫度場的計(jì)算考慮庫水溫度、氣溫、地溫變化，上游面和船閘右側(cè)與水接觸取正常蓄水位，下游面和船閘左側(cè)為絕熱邊界，地面與基巖接觸，其他部位與空氣接觸并考慮太陽輻射影響。

考慮上述計(jì)算邊界條件后，對上閘首進(jìn)行穩(wěn)定溫度場計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，強(qiáng)約束區(qū)穩(wěn)定溫度為20.10～21.77℃；弱約束區(qū)穩(wěn)定溫度為20.20～22.50℃，非約束區(qū)穩(wěn)定溫度為20.60～23.50℃；船閘中心部位的穩(wěn)定溫度為21.0～22.0℃。

圖1 溫度場計(jì)算結(jié)果圖

4 混凝土溫度及應(yīng)力場計(jì)算

4.1 計(jì)算參數(shù)及工況

該工程上閘首混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)如表1所示，計(jì)算工況見表2。

表1 主要熱力學(xué)參數(shù)

表2 計(jì)算工況表

4.2 混凝土最高溫度及最大順河向應(yīng)力

混凝土最高溫度及最大順河向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3，從表3中可以看出：在不采取溫控措施條件下，安全系數(shù)均小于1.65，不滿足溫控防裂要求；在采取溫控措施后，安全系數(shù)均大于1.65，滿足溫控防裂要求。

表3 混凝土最高溫度及最大順河向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

4.3 上游面混凝土最大橫河向應(yīng)力

考慮到上閘首左邊墩上游面結(jié)構(gòu)寬45.00m，上游面最大橫河向應(yīng)力會(huì)較大，其開裂風(fēng)險(xiǎn)也較大，因此進(jìn)行了多個(gè)方案的比較計(jì)算，計(jì)算方案和計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 上游面混凝土最大橫河向應(yīng)力計(jì)算方案和計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，只有采取控制混凝土澆筑溫度，一、二期通水冷卻，臨時(shí)保溫等綜合溫控措施后，上游面最大橫河向應(yīng)力的安全系數(shù)才能大于1.65，滿足溫控防裂要求，因此在施工期，應(yīng)加強(qiáng)上游面的溫控措施，特別表面的臨時(shí)保溫和入冬前的通水降溫，同時(shí)對具備回填條件的混凝土澆筑完成部位，及時(shí)進(jìn)行石渣或混凝土回填以加強(qiáng)保溫。

5 混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)和溫控措施

綜合穩(wěn)定溫度場和混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算成果，確定船閘混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)和溫控措施。

5.1 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

船閘混凝土基礎(chǔ)溫差強(qiáng)約束區(qū)為15.0℃，弱約束區(qū)為17.0℃；上下層溫差為15.0℃；內(nèi)外溫差為15.0℃。船閘混凝土容許最高溫度強(qiáng)約束區(qū)為32.0℃，弱約束區(qū)為34.0℃，非約束區(qū)為36.0℃。

5.2 溫度措施

1）采用制冷工藝，控制混凝土澆筑溫度

高溫季節(jié)澆筑的混凝土采用堆場初冷、風(fēng)冷粗骨料、冷水拌和、加片冰拌和等組合方式控制出機(jī)口混凝土的溫度。減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)，加快混凝土的運(yùn)輸速度，減少運(yùn)輸過程中溫度回升。施工過程中，減少澆筑塊覆蓋前的暴露時(shí)間，加快混凝土入倉速度和覆蓋速度，澆筑完畢后，立即覆蓋保溫材料進(jìn)行臨時(shí)保溫，減少倉面澆筑過程中混凝土溫度回升。當(dāng)澆筑倉內(nèi)氣溫較高、日照強(qiáng)烈或氣候干燥時(shí)，進(jìn)行倉面噴霧，以降低倉面環(huán)境溫度。高溫季節(jié)，約束區(qū)混凝土澆筑溫度按照不超過15℃控制，非約束區(qū)按照不超過17℃控制。

2）采取通水冷卻，控制混凝土最高溫度

船閘混凝土內(nèi)部布設(shè)冷卻水管進(jìn)行通水冷卻，水管間距為1.5m×1.5m。高溫季節(jié)采用兩期通水，低溫季節(jié)采用一期通水。

3）表面保護(hù)

對新澆筑混凝土表面立即進(jìn)行臨時(shí)保溫，保溫材料等效放熱系數(shù)不大于70kJ/（m2·d·℃）。

4）回填保溫

對于具備回填條件的混凝土澆筑完成部位，及時(shí)進(jìn)行石渣或混凝土回填以加強(qiáng)保溫。

6 結(jié)語

防裂是大體積混凝土施工主要任務(wù)，裂縫的出現(xiàn)將會(huì)對結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性產(chǎn)生不利影響。大藤峽水利樞紐船閘具有體型大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣候條件惡劣等諸多溫控防裂不利因素，本文采用有限元法對上閘首結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定了船閘混凝土的溫控標(biāo)準(zhǔn)和濕控措施，從而確保了工程防裂安全。本文研究成果，對類似大體積混凝土的溫控防裂設(shè)計(jì)具有一定的參考和借鑒作用。