李金龍，張 松，李冬賀，李婷婷，史經(jīng)攀

(1.江蘇省蘇水工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.豐縣水務(wù)局，江蘇 徐州 221000)

在大體積混凝土澆筑施工過(guò)程中，不可避免出現(xiàn)混凝土溫度升高的現(xiàn)象。當(dāng)溫度升高并超過(guò)一定范圍時(shí)，混凝土施工質(zhì)量將會(huì)明顯下降，從而影響工程安全，造成不利影響[1-3]。因此，在大體積混凝土澆筑施工時(shí)需要采取合適的溫度控制措施，以保證混凝土溫度，提高混凝土澆筑質(zhì)量。針對(duì)不同的混凝土施工環(huán)境條件，需要采取不同的溫度控制措施，一般情況下，當(dāng)外界環(huán)境溫度較高時(shí)，冷水管是常用的降低混凝土溫度的措施，影響冷水管降溫效果的主要參數(shù)為水管間距、進(jìn)水溫度等[4-7]。董寨涵閘混凝土施工體量大，需要采取適宜的措施以保證混凝土施工質(zhì)量，提高涵閘的安全性、耐久性。

1 工程概況

董寨涵閘位于南四湖湖西洼地東營(yíng)子河樁號(hào)1+900，設(shè)計(jì)流量為45m3/s，建筑物級(jí)別為3級(jí)，設(shè)計(jì)排澇水位為36.41/36.26m，擋洪水位為38.27m，涵閘設(shè)計(jì)具有排澇、擋洪、蓄水及通航功能。涵閘設(shè)計(jì)為1孔12m開(kāi)敞式水閘，閘底板頂高程為30.00m，閘室頂高程為42.00m，工作橋頂高程為50.40m。閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為19.00m，垂直水流方向長(zhǎng)15.60m。水閘上游側(cè)設(shè)15.00m長(zhǎng)0.7m厚鋼筋混凝土鋪蓋，鋪蓋上游鋪設(shè)20m長(zhǎng)預(yù)制塊砼護(hù)坡、現(xiàn)澆混凝土護(hù)底，兩岸采用鋼筋混凝土扶壁翼墻與現(xiàn)狀河道相連，下游側(cè)設(shè)15.0m長(zhǎng)0.5m深鋼筋混凝土消力池，消力池下游鋪設(shè)30.0m長(zhǎng)預(yù)制塊砼護(hù)坡、現(xiàn)澆混凝土護(hù)底，兩岸采用鋼筋混凝土扶壁翼墻與現(xiàn)狀河道相連。護(hù)坡、護(hù)底、格梗、臺(tái)階、排水溝、欄桿混凝土等級(jí)為C25，其余均為C30；閘墩和翼墻墻身抗凍等級(jí)為F100，其余為F50。

2 綜合溫控措施

影響混凝土施工溫度的因素眾多，包括混凝土配合比、混凝土運(yùn)輸方式、混凝土出機(jī)溫度等。因此，為了提高混凝土施工溫度控制效果，需要采取多種措施控制混凝土溫度。

在混凝土拌和前，需要進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)，選取發(fā)熱少、強(qiáng)度高的混凝土材料。在保證混凝土強(qiáng)度的條件下，減少水泥用量，降低水化熱。在涵閘施工過(guò)程中針對(duì)溫度要求較高的區(qū)域，可選擇在每年11月至次年4月溫度較低的時(shí)間進(jìn)行，若必須在高溫天氣澆筑，則需要充分利用夜間低溫時(shí)間施工。

拌和樓混凝土出機(jī)溫度對(duì)混凝土澆筑施工影響也較大。保證混凝土細(xì)骨料含水率不超過(guò)6%。采用預(yù)冷方式處理混凝土骨料，混凝土拌和過(guò)程中采用冷水降低混凝土出機(jī)時(shí)的溫度。混凝土拌和水的溫度和預(yù)冷情況可結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際氣溫進(jìn)行調(diào)整。

混凝土運(yùn)輸過(guò)程中混凝土溫度上升是不可忽略的。因此，優(yōu)化混凝土運(yùn)輸方案，縮短混凝土從出機(jī)到澆筑的時(shí)間，減少混凝土倒運(yùn)次數(shù)對(duì)縮小混凝土溫度回升有重要影響。在場(chǎng)地內(nèi)保證混凝土運(yùn)輸通道的通暢，高溫季節(jié)運(yùn)輸混凝土?xí)r需要做好保溫工作，必要時(shí)可搭設(shè)活動(dòng)遮陽(yáng)蓬、設(shè)置保溫層以保證混凝土溫度。

3 混凝土施工溫度控制分析

3.1 混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

水化熱是混凝土澆筑過(guò)程中溫度上升的主要因素，水化熱是一個(gè)不斷變化的過(guò)程。因此，混凝土內(nèi)部的溫度場(chǎng)也不是恒定不變的，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。假設(shè)混凝土澆筑施工的區(qū)域?yàn)镽，則R范圍內(nèi)溫度場(chǎng)滿足以下關(guān)系：

(1)

式中，T—溫度；a—導(dǎo)熱系數(shù)；τ—時(shí)間；T0—混凝土初始溫度；Tw—進(jìn)水的溫度；θ0—混凝土最終絕熱溫升；φ、ψ—與水管冷卻效果有關(guān)的函數(shù)。

3.2 溫度應(yīng)力

溫度應(yīng)力主要是由溫差造成的。在涵閘澆筑過(guò)程中，混凝土初始溫度與已澆筑部分之間的穩(wěn)定溫度存在溫差，這部分溫差將造成混凝土內(nèi)部出現(xiàn)溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力采用下式計(jì)算：

(2)

式中，Kp、R、α—應(yīng)力松弛系數(shù)、基礎(chǔ)約束系數(shù)、溫度線膨脹系數(shù)；Ec—混凝土彈性模量；μ—泊松比；k—澆筑初期溫升折減系數(shù)；B—水化熱溫度應(yīng)力系數(shù)；Tf—水化熱形成的溫升；c—體積形變影響系數(shù)；ε0—初始應(yīng)變。Tp—混凝土溫度；Tx—計(jì)算溫差幅度。

3.3 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)選取

3.3.1模型建立

建立數(shù)值模擬模型是常用的溫度場(chǎng)分析方法，ANSYS是其中最為常用的數(shù)值模擬軟件，建模簡(jiǎn)便、計(jì)算效率高，結(jié)果可靠，在工程應(yīng)用、科學(xué)研究中積累了較多的成功應(yīng)用的案例[8-10]。為了研究不同冷卻管布置方式對(duì)董寨涵閘施工過(guò)程中混凝土溫度控制的影響，按照2m×2m，2m×1m，1m×1m分別建立3種方案進(jìn)行分析，研究不同方案下董寨涵閘的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)比方案選取不通水方案，董寨涵閘混凝土澆筑完成后，繼續(xù)通水10d，進(jìn)水口冷水溫度設(shè)置為10℃。冷水管布置方式如圖1所示。

圖1 冷水管布置方式

3.3.2計(jì)算參數(shù)選取

數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)取值

3.3.3混凝土徐變假定

混凝土徐變按下式計(jì)算：

C(t，τ)=(A1+A2/τα1)[1-e-k1(t-τ)]+

(B1+B2/τα2)[1-e-k2(t-τ)]+De-k3τ[1-e-k3(t-τ)]

(3)

式中，C—混凝土徐變程度；t-τ—持荷時(shí)間；k、A、B、D、α—徐變擬合的參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 混凝土徐變參數(shù)取值

3.4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1溫度場(chǎng)變化特征

在涵閘澆筑過(guò)程中第三層的中心點(diǎn)和角點(diǎn)設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1、JC2，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析涵閘內(nèi)部溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的變化情況。冷卻管通水時(shí)間從開(kāi)始澆筑混凝土開(kāi)始至混凝土澆筑完成10d后停止。董寨涵閘施工過(guò)程中內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1的溫度變化過(guò)程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1溫度變化特征

根據(jù)圖2中監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1的溫度變化過(guò)程可以得知：涵閘澆筑過(guò)程中，內(nèi)部溫度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化過(guò)程。當(dāng)混凝土內(nèi)部冷卻管通水時(shí)，內(nèi)部溫度下降速率大，且冷卻管密度越大，溫度下降速率越大，最終的溫度也越低。當(dāng)涵閘內(nèi)部溫度處于較低水平時(shí)，內(nèi)外溫差較大可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。角點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化結(jié)果與外部環(huán)境溫度變化基本一致。

3.4.2應(yīng)力場(chǎng)變化特征

混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)主要是為了分析混凝土澆筑完成后繼續(xù)通水10d內(nèi)的應(yīng)力情況。

涵閘內(nèi)部平行水流方向的應(yīng)力變化情況如圖3所示，從圖中可知：混凝土澆筑完成后的5d內(nèi)，涵閘內(nèi)部的應(yīng)力不斷增大，之后應(yīng)力減小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因如下：冷水管冷卻降溫，涵閘內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境之間的溫度逐漸接近，上部混凝土施工澆筑導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓力增大，采用降溫措施后，涵閘內(nèi)部溫度的降低緩解了內(nèi)部應(yīng)力較大的情況。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1應(yīng)力變化曲線

涵閘表面平行水流方向的應(yīng)力變化情況如圖4所示，從圖中可知：涵閘表面在施工過(guò)程中、施工完成后均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是涵閘內(nèi)部和表面的溫差較大，JC2拉應(yīng)力變化曲線如圖5所示，從圖5中可知，采用1m×1m方式布置冷水管時(shí)，最大拉應(yīng)力超過(guò)2.1MPa，超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度值，可能導(dǎo)致涵閘表面出現(xiàn)裂縫，造成混凝土施工質(zhì)量下降。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC2應(yīng)力變化曲線

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC2拉應(yīng)力變化曲線

4 結(jié)論

(1)大體積混凝土澆筑需要結(jié)合施工場(chǎng)地環(huán)境條件采用適宜的措施，以控制混凝土內(nèi)部溫度，減小內(nèi)外溫差，保證混凝土施工質(zhì)量。

(2)施工過(guò)程中采用冷水管降溫具有良好的效果，在施工過(guò)程中需要控制冷水管間距，當(dāng)間距過(guò)大時(shí)，溫度控制效果較差；當(dāng)間距過(guò)小時(shí)，可能導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差大，表面出現(xiàn)裂縫。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，董寨涵閘冷水管采用2m×1m的布置方式，溫度控制效果良好。