李松輝，雒翔宇，張國新，白彥平，程創(chuàng)新

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.安徽引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

船閘通常由閘室、閘首、閘門、引航道及相應(yīng)設(shè)備組成，屬于大體積薄壁混凝土結(jié)構(gòu)。從船閘的施工程序、結(jié)構(gòu)特征、材料特性可以看出，溫控防裂是大型船閘施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1-3]。大量工程實(shí)際表明，閘墻、導(dǎo)角等結(jié)構(gòu)體常常會出現(xiàn)均勻的豎向裂縫，且已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象，最有利的措施是施工后發(fā)現(xiàn)裂縫然后進(jìn)行修補(bǔ)。對于閘室墻等的安全運(yùn)營和經(jīng)濟(jì)效益均存在一定的影響[4-5]。

底板、導(dǎo)角、閘室墻3種結(jié)構(gòu)的建設(shè)是船閘建設(shè)中的難點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)閘室底板與導(dǎo)角、閘墻澆筑均存在28 d以上的長間歇期[6]。長間歇對大體積混凝土的防裂不利，但根據(jù)船閘的施工工藝，底板、導(dǎo)角、閘墻間的長間歇不可避免[7-8]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，閘室底板澆筑后需要建立閘墻模板，40 d長間歇為最短時間，通常的底板與閘墻間歇期均在60 d以上[9-11]。混凝土澆筑的長間歇必然會對閘墻產(chǎn)生較強(qiáng)約束，同時導(dǎo)致新老混凝土產(chǎn)生較高的溫差[12]。部分船閘根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，起初采用了加大配筋解決防裂問題[13-15]，但效果微弱。目前，長間歇導(dǎo)致的裂縫主要局限于后期的修補(bǔ)及加固階段[16]，大幅增加了工程成本。

根據(jù)閘墻或者導(dǎo)角出現(xiàn)裂縫的這種現(xiàn)象，很多學(xué)者及專家均對其進(jìn)行了分析研究。蔣炳芳等人研究分析了船閘裂縫產(chǎn)生的原因，普遍認(rèn)為船閘混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)措施是施工防裂的關(guān)鍵因素[3，17]，但是相應(yīng)溫控標(biāo)準(zhǔn)及溫控措施落實(shí)后閘墻裂縫依然存在。分析發(fā)現(xiàn)，船閘建設(shè)過程中參考水運(yùn)混凝土規(guī)范，規(guī)范中并未對新老混凝土溫差做出具體要求[18]。

基于上述問題，本文將從混凝土澆筑及硬化規(guī)律出發(fā)，分析船閘建設(shè)過程中長間歇導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的內(nèi)在原因?；谄浔举|(zhì)原因，探索降低長間歇的溫度應(yīng)力方法，并通過有限元方法進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的長間歇分塊澆筑方法溫控防裂的有效性。研究成果可為船閘工程長間歇后新澆混凝土溫控防裂提供理論參考。

1 溫度應(yīng)力計(jì)算分析

船閘混凝土長間歇后新澆混凝土的裂縫產(chǎn)生主要源于其硬化過程中材料特性變化及溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力[19]。前人研究發(fā)現(xiàn)，混凝土裂縫的產(chǎn)生是由于應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度，而抗拉強(qiáng)度的產(chǎn)生不但與溫差有關(guān)，還與約束條件有關(guān)。故總結(jié)長間歇導(dǎo)致新澆混凝土應(yīng)力值過大而導(dǎo)致裂縫的主要原因有：①長間歇后老混凝土彈性模量達(dá)到30 GPa以上導(dǎo)致新澆混凝土受到強(qiáng)約束；②長間歇老混凝土溫度趨于穩(wěn)定導(dǎo)致新老混凝土溫差過大。基于上述兩點(diǎn)深入分析長間歇導(dǎo)致新澆混凝土開裂的內(nèi)在原因。

1.1 長間歇后溫度應(yīng)力分析

船閘底板與豎墻澆筑時間間隔過長無法避免，長間歇后底板彈性模量增大、通過長時間溫降后溫度趨于隨氣溫穩(wěn)定變化狀態(tài)，導(dǎo)致底板對豎墻約束增強(qiáng)、新老混凝土溫差增大，從而產(chǎn)生超規(guī)的應(yīng)力，導(dǎo)致豎墻底板發(fā)生裂縫[19]。

長間歇后，老混凝土硬化過程基本結(jié)束，根據(jù)混凝土彈性模量的時間變化規(guī)律，間歇期至少可以達(dá)到90 d以上，此時數(shù)值可以達(dá)到最終彈性模量的90%以上。因此長間歇后的新混凝土澆筑相當(dāng)于在剛性基巖上進(jìn)行澆筑。新老混凝土受力示意見圖1。

圖1 新澆混凝土受力示意

根據(jù)圖1所示，借鑒朱伯芳院士的剛性基礎(chǔ)上新澆塊均勻冷卻時的溫度應(yīng)力分析[1]，引用短邊受任意荷載時矩形板的解答結(jié)果，使?jié)仓K兩端的剪應(yīng)力消除，得出澆筑塊橫向應(yīng)力如下

σx=-ζ·E·α·T

(1)

式中，σx為豎墻橫向應(yīng)力(拉為正，壓為負(fù))；ζ為應(yīng)力系數(shù)；E為底板彈性模量；α為線膨脹系數(shù)；T為豎墻與底板的溫差。

通常情況下線膨脹系數(shù)為固定值。從式(1)可以看出，長間歇后新澆混凝土橫向正應(yīng)力的值主要取決于應(yīng)力系數(shù)ζ。降低應(yīng)力的主要方法是降低彈性模量、降低新老混凝土溫差、降低應(yīng)力系數(shù)。

1.2 分析方法及理論

根據(jù)上述分析，基于新澆混凝土的應(yīng)力特征、長間歇特性以及混凝土的硬化特性，應(yīng)用自主研發(fā)的saptis軟件[20]，仿真分析船閘底板澆筑過程及閘墻澆筑過程。

通常情況下，混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的整體平衡方程為

[K]{Δδn}={ΔPn}L+{ΔPn}C+
{ΔPn}T+{ΔPn}0

(2)

式中，[K]為剛度矩陣；{Δδn}為位移增量；{ΔPn}L為外荷載；{ΔPn}C為徐變荷載增量；{ΔPn}T為溫度荷載增量；{ΔPn}0為自生體積變形荷載增量。

2 數(shù)值模型及工況

以某船閘閘室為例，計(jì)算分析長間歇對于新澆混凝土溫度應(yīng)力的影響，探索分析提高長寬比、降低新老混凝土溫差對于溫度應(yīng)力的影響。

2.1 數(shù)值模型

數(shù)值模型如圖2所示，閘室長17 m。在分析新澆混凝土溫度應(yīng)力時在底部有1～2 m的首層澆筑。分段澆筑的關(guān)鍵就在于對首層混凝土進(jìn)行分段，可以達(dá)到提高高寬比的目的。應(yīng)力超標(biāo)主要發(fā)生在首層澆筑部位，因此設(shè)定了4個溫度應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)(見圖2)。

圖2 長間歇分塊澆筑模型示意

2.2 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況

船閘混凝土具有絕熱溫升高、彈性模量大、線膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，本研究計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土基本計(jì)算參數(shù)

假定底板與新澆混凝土的間歇期均為60 d，建立不同工況的分析分層分塊、降低新老混凝土溫差對長間歇期后新澆混凝土應(yīng)力降低的作用效果，具體計(jì)算工況見表2。仿真分析內(nèi)容主要包括：長間歇期新澆混凝土溫度應(yīng)力分析(工況2)；長間歇期新澆混凝土分層澆筑溫度應(yīng)力分析(工況3)；長間歇期新澆混凝土分層分塊澆筑溫度應(yīng)力分析(工況4)；長間歇期新澆混凝土分塊澆筑及降低新老混凝土溫差T的溫度應(yīng)力分析(工況5)，降低新老混凝土溫差的措施為低溫澆筑新混凝土并加強(qiáng)冷卻水管，老混凝土保溫。

表2 計(jì)算工況

3 結(jié)果和討論

3.1 計(jì)算仿真結(jié)果

3.1.1 長間歇期溫度應(yīng)力分析

工況1和工況2分別為新混凝土在底板澆筑完成7 d后澆筑和60 d后澆筑，選取同一靠近底板附近點(diǎn)溫度應(yīng)力分析，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，長間歇期后底板混凝土硬化完成，同時由于厚度較小和溫升過程的結(jié)束溫度降為常溫，直接導(dǎo)致新澆混凝土受到強(qiáng)約束和新老混凝土溫差大的影響；長間歇期后新澆混凝土溫度應(yīng)力從早期開始就呈向上發(fā)展趨勢，應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過短間歇期的新澆混凝溫度應(yīng)力值。因此長間歇期是導(dǎo)致新澆閘墻等混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的主要原因。該結(jié)論與理論分析結(jié)果規(guī)律一致。

圖3 工況1與工況2的應(yīng)力過程線對比

3.1.2 分層計(jì)算結(jié)果對比

船閘的閘室與底板澆筑間歇期過長不可避免的同時，閘墻澆筑過程中受鋼筋施工工藝等影響[6]，閘墻在澆筑過程中長間歇期后新澆混凝土澆筑層厚度過高會使其溫度過高，溫度應(yīng)力過大，如圖4所示。同時由于閘墻為薄壁結(jié)構(gòu)，澆筑過程中可以利用側(cè)面散熱，溫度場不易控制。因此，首先需要在長間歇期后設(shè)定薄層混凝土進(jìn)行過渡，分層過渡可以明顯降低新老混凝土溫差，從而達(dá)到降低溫度應(yīng)力的效果，如圖5所示。

圖4 一次封頂澆筑溫度應(yīng)力包絡(luò)圖

圖5 分層澆筑溫度應(yīng)力包絡(luò)圖

溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可以看出，一次性澆筑監(jiān)測點(diǎn)從最底部開始最大值為3.5 MPa，最小值為3.39 MPa。而分層澆筑后監(jiān)測點(diǎn)從最底部開始最大值為3.18 MPa，最小值為2.65 MPa，并且分層澆筑與一次性澆筑數(shù)值仿真規(guī)律相似，即同一高程范圍內(nèi)與老混凝土距離越遠(yuǎn)，應(yīng)力值越小。

表3 分層工況下溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.1.3 分層分塊澆筑結(jié)果

在進(jìn)行閘墻等薄壁結(jié)構(gòu)分層的基礎(chǔ)上，底部應(yīng)力依舊較大。根據(jù)第2.1節(jié)的分析可知，此時通過降低高寬比和新老混凝土溫差可明顯減低底部溫度應(yīng)力，從而達(dá)到防止裂縫產(chǎn)生的效果?；谏鲜隼碚摚疚膶Ρ攘斯r3、4、5的計(jì)算結(jié)果。其中，工況4分塊澆筑的最大應(yīng)力值包絡(luò)圖如圖6所示；工況5分塊澆筑并保溫的最大應(yīng)力值包絡(luò)圖如圖7所示。對比圖4(一次性澆筑)、圖5(分層澆筑)、圖6(分層分塊澆筑)、圖7(分層分塊澆筑并降低新老混凝土溫差)可以看出，采取分層分塊降低新老混凝土溫差后，可以明顯降低新澆混凝土底部混凝土溫度應(yīng)力，結(jié)果見表4。從表4可知，工況5的計(jì)算結(jié)果為從最底部開始最大值2.62 MPa，最小值2.04 MPa。

圖6 分塊澆筑應(yīng)力最大值包絡(luò)圖

圖7 分塊澆筑并保溫應(yīng)力最大值包絡(luò)圖

不同措施降低應(yīng)力值的效果不同。從表3、4可以看出，工況3與工況4的最大差值從底部開始最大為0.49 MPa，最小為0.38 MPa；而工況4與工況5的最大差值分別為0.18 MPa和0.12 MPa；工況5與工況4的差距明顯小于工況3與工況4的差距。

表4 分層分塊工況下溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

本文研究分析了閘墻澆筑過程中長間歇期導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的原因，最關(guān)鍵的因素是基礎(chǔ)彈性模量和新澆混凝土溫差。因此，預(yù)防長間歇后防止新澆混凝土裂縫產(chǎn)生的關(guān)鍵是降低新澆混凝土應(yīng)力。從式(1)中可以看出，降低應(yīng)力的主要方法是減小應(yīng)力系數(shù)ζ、彈性模量E(τ)、新澆混凝土溫降T、線膨脹系數(shù)。具體措施為：①根據(jù)2.1節(jié)的分析可知[1]，分塊澆筑可以增大高寬比從而達(dá)到減小應(yīng)力系數(shù)ζ的目的；②新澆混凝土分層澆筑可以增大散熱量，低溫澆筑及強(qiáng)化水管冷卻也可達(dá)到降低新澆混凝土最高溫度的目的。

基于數(shù)值模型分析，可總結(jié)出以下結(jié)論：

(1)與一次性澆筑相比，分層分塊澆筑均能降低新澆混凝土的溫度應(yīng)力，但是降低幅度與高程有一定的關(guān)系，以新老混凝土交界處為0點(diǎn)，隨著高度越高，溫度應(yīng)力降低幅度越大。分塊澆筑降低溫度應(yīng)力的效果更為明顯，尤其是新老混凝土接觸部位的溫度應(yīng)力明顯降低。

(2)對老混凝土實(shí)施保溫從而降低新老混凝土溫差，可以達(dá)到降低新澆混凝土的溫度應(yīng)力值，但從新老混凝土接觸部位到遠(yuǎn)離新老混凝土接觸部位的地方溫度應(yīng)力減小值差異較小，減小值僅為原有應(yīng)力的3%，對應(yīng)力值降低貢獻(xiàn)較小。

4 結(jié)論與建議

本文探索分析了長間歇后薄壁結(jié)構(gòu)順河向應(yīng)力的影響因素，并基于上述分析提出了長間歇后薄壁結(jié)構(gòu)的防裂措施及方法。得出以下結(jié)論及建議：

(1)從理論分析結(jié)果可知，分層分塊是明顯降低約束系數(shù)的方法，其中分塊澆筑可以明顯降低新澆混凝土底部的溫度應(yīng)力。

(2)船閘澆筑混凝土均具有高強(qiáng)高水化熱的特點(diǎn)，降低新老混凝土溫差的主要手段只有老混凝土保溫和降低新澆混凝溫度的溫控措施。但是通過降低新老混凝土溫差對于降低新澆混凝土溫度應(yīng)力的作用較小。

(3)建議工程實(shí)踐中采用分層分塊澆筑方法，并根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)一步研究分析新澆混凝土分層分塊澆筑工藝。