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)
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。
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。
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)。
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
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
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
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。
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。
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℃。
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。
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。