邱家湖進退洪閘混凝土施工的溫度控制與徐變應(yīng)力分析

陳 寶

邱家湖進退洪閘混凝土施工的溫度控制與徐變應(yīng)力分析

陳 寶

一、工程背景

邱家湖蓄洪區(qū)位于安徽省潁上縣，進退洪閘位于上口門向東約2.5km附近，采用潛孔式水閘型式，設(shè)計流量為1000m3/s，為Ⅱ等大（2）型水閘。邱家湖進退洪閘共7孔，單孔凈寬為10m，總凈寬70m。水閘底檻高程為19.5m，閘頂高程29m，閘室順水流方向長17m，中墩厚1.3m，邊墩厚1.2m，閘室總寬度為80.2m。閘室底板為分離式底板型式，大、小底板均厚1.4m。

二、混凝土溫控計算目的

對于水閘工程來說，大部分裂縫是因溫控不當而產(chǎn)生的溫度裂縫，修建在土基上的水閘，其墩墻較底板更容易產(chǎn)生裂縫。墩墻裂縫的特點是“上不著頂，下不著底”“中間寬、兩頭尖”的“棗核形”裂縫。所以必須要對溫度裂縫引起足夠的重視。

為了清楚地了解閘底板和墩墻混凝土的溫度特性及溫度應(yīng)力，結(jié)合邱家湖進退洪閘工程，通過建立三維有限元模型，進行溫度場和徐變應(yīng)力場仿真計算，然后綜合混凝土裂縫產(chǎn)生機理和影響因素、溫度場及應(yīng)力場分析成果，提出適合的水閘底板和墩墻的混凝土施工溫控措施及防裂設(shè)計。

三、計算仿真處理及計算工況

計算仿真過程就是對混凝土施工過程、外界條件及其材料性質(zhì)的變化等因素進行較為精確細致的模擬計算，以得到與實際相符合的解。通過建立水閘的閘底板—墩墻—地基系統(tǒng)三維有限元模型，對底板、墩墻的溫度場進行仿真分析，研究減小底板、墩墻的基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差的措施?；谏鲜龇抡娣治鼋Y(jié)果，進行底板—墩墻徐變應(yīng)力場仿真分析，進一步驗證、確定合理的溫控措施。

根據(jù)邱家湖進退洪閘工程需求及實際混凝土澆筑采用的溫控措施，分析了如下工況：

工況1：常態(tài)混凝土，采用竹膠模板，仿真分析底板—墩墻溫度場和應(yīng)力場。

工況2：泵送混凝土，采用竹膠模板，仿真分析底板—墩墻溫度場和應(yīng)力場。

工況3：泵送混凝土，采用竹膠模板，內(nèi)貼2.5cm塑料保溫板，仿真分析底板—墩墻溫度場和應(yīng)力場。

工況4：泵送混凝土，采用竹膠模板，內(nèi)貼2.5cm塑料保溫板，通冷卻水（18℃），仿真分析底板—墩墻溫度場和應(yīng)力場。

四、計算模型

計算模型底板厚1.4m，墩墻長15.5m，墩墻厚 1.2m，高 8.5m，計算采用地基—底板—墩墻三維有限元計算模型。

計算域范圍：向上游、下游取0.6倍墩墻高，地基取1.2倍墩墻高。共剖分六面體八節(jié)點等參單元10996個，節(jié)點13489個，其中混凝土共剖分單元8812個。建立有限元模型時，以x向為順水向，z向為垂直向。

溫度（或應(yīng)力）歷程曲線結(jié)果特征點分別選取墩墻表面和內(nèi)部各特征點，如圖1所示。

五、閘底板和墩墻施工期溫度場分析

溫度場是模擬施工過程和考慮不同邊界條件以及水泥水化熱隨時間變化等因素仿真計算得出的。施工期溫度場仿真計算的目的：一是通過數(shù)值計算預測底板和墩墻在施工過程中的溫度變化過程；二是確定底板和墩墻應(yīng)力計算的溫度荷載，溫度場計算得到的相鄰時間步的變溫作為應(yīng)力計算相應(yīng)時間步的溫度荷載。

1.常態(tài)混凝土和泵送混凝土溫度場對比

全部采用常態(tài)混凝土（工況1）與全部采用泵送混凝土（工況2）澆筑底板和墩墻時的特征點溫度場對比如下：

（1）底板和墩墻混凝土先水化熱溫升，然后由于熱量與環(huán)境氣溫的交換而降低，由于僅采用竹膠模板，墩墻澆筑完成半個月后，墩墻表面和內(nèi)部的溫度趨于接近。

（2）泵送混凝土因水泥用量大、水灰比大、坍落度大，所以由水泥水化熱引起絕熱溫升高。

（3）采用泵送混凝土澆筑時，特征點處內(nèi)外溫差較采用常態(tài)混凝土更大，全部采用泵送混凝土施工比全部采用常態(tài)混凝土施工更容易產(chǎn)生裂縫。

2.不同表面保溫下溫度場對比

在施工均為泵送混凝土澆筑時，采用竹膠模板（工況2）與采用竹膠模板+內(nèi)貼塑料保溫板（工況3）澆筑底板和墩墻時的特征點溫度場對比如下：

圖1 特征點示意圖

（1）表面按工況3進行保溫時，混凝土表面和內(nèi)部的最高溫度均有提高。

（2）表面按工況3進行保溫時，特征點處內(nèi)外溫差較工況2的內(nèi)外溫差減小。

3.不通水冷卻和通水冷卻溫度場對比

在施工均為泵送混凝土澆筑并采用竹膠模板+內(nèi)貼塑料保溫板時，墩墻不進行通水冷卻（工況3）和通水冷卻（工況4）時特征點溫度場對比如下：

（1）通水冷卻時，混凝土表面和內(nèi)部的最高溫度降低，而且最高溫度出現(xiàn)的時間提前。

（2）通水冷卻時，特征點處內(nèi)外溫差較不通水冷卻時的內(nèi)外溫差減小。

圖2 常態(tài)混凝土與泵送混凝土澆筑3m處特征點內(nèi)外順水向應(yīng)力過程線圖

圖3 不同表面溫度下3m處特征點內(nèi)外順水向應(yīng)力過程線圖

圖4 不同冷卻方式下3m處特征點內(nèi)外順水向應(yīng)力過程線圖

六、閘底板和墩墻施工期徐變應(yīng)力場分析

仿真應(yīng)力場計算模擬了底板和閘墩受到氣溫、自重、徐變、自生體積變形等多種自身和外部的復雜變化的作用和計算體型的不斷變化。溫度荷載根據(jù)溫度場計算結(jié)果得出。按設(shè)計的工況進行了底板—墩墻施工期應(yīng)力場仿真分析，以下從幾個方面進行對比分析。

1.常態(tài)混凝土和泵送混凝土應(yīng)力場對比

常態(tài)混凝土（工況1）與泵送混凝土（工況2）澆筑水閘底板和墩墻時，特征點應(yīng)力過程線比較如圖2。

根據(jù)應(yīng)力場分析可知：

（1）墩墻中間先隨水化熱溫升而受壓，然后隨著降溫而拉應(yīng)力逐漸增大；墩墻表面則相反，先受拉，然后隨著溫度的降低而壓應(yīng)力增大。

（2）由于泵送混凝土引起的墩墻內(nèi)部最高溫度高，而且泵送混凝土的彈性模量也較常態(tài)混凝土的彈性模量大，所以泵送混凝土無論初期的受壓及后期的受拉都比常態(tài)混凝土的大。

2.不同表面保溫下應(yīng)力場對比

在施工均為泵送混凝土澆筑時，采用竹膠模板（工況2）與采用竹膠模板+內(nèi)貼塑料保溫板（工況3）澆筑底板和墩墻時，特征點應(yīng)力過程線比較如圖3。

根據(jù)應(yīng)力場分析可知：

（1）由于工況3進行表面保溫，減小了墩墻的內(nèi)外溫差，使墩墻混凝土的應(yīng)力得到較好的改善。按工況3澆筑時，特征點中部后期的最大拉應(yīng)力較工況2降低，且最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的時間相對延遲，由于后期混凝土強度增大了，這對混凝土的抗裂有利。由于墩墻因表面保溫度而內(nèi)部溫度高，后期降溫時，墩墻內(nèi)部拉應(yīng)力仍然有所增大。

（2）另外，按工況3進行表面保溫，墩墻表面的應(yīng)力也有很好的改善。

3.不通水冷卻和通水冷卻應(yīng)力場對比

在施工均為泵送混凝土澆筑并采用竹膠模板+內(nèi)貼塑料保溫板時，墩墻不進行通水冷卻（工況3）和通18℃水冷卻（工況4）時，特征點應(yīng)力過程線比較如圖4。

根據(jù)應(yīng)力場分析可知：

（1）由于通水冷卻，使墩墻內(nèi)最高溫度下降，所以工況4的應(yīng)力較工況3的應(yīng)力有所改善。

（2）值得注意的是，在墩墻內(nèi)通冷卻水期間，在冷卻水管周邊產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。由仿真計算可見，在水管周邊最大拉應(yīng)力達到1.549MPa。但停止通水后以及在后期，水管周邊表現(xiàn)為壓應(yīng)力。一般來說，冷卻水管周邊的局部拉應(yīng)力對墩墻的開裂不起主要作用，當然，為安全起見，不宜通水溫過低的冷卻水。

七、結(jié)論

（1）采用泵送混凝土施工時因水泥用量大、水灰比大、坍落度大，由水泥水化熱引起的絕熱溫升高，所以對混凝土的抗裂是不利的。如果條件允許，宜采用常態(tài)混凝土施工。

（2）表面采取保溫措施時，混凝土表面和內(nèi)部的最高溫度均有提高。另外最高溫度出現(xiàn)的時間延遲1.5～2.0d，而且澆筑完成近30d后，墩墻表面和內(nèi)部的溫度才趨于接近。但是表面采取保溫措施時，特征點處內(nèi)外溫差較表面未采用保溫措施的內(nèi)外溫差減小，使墩墻混凝土的應(yīng)力場分布得到了較好的改善。且最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的時間延遲，這對混凝土強度的提高預留了時間，對混凝土的抗裂有利。

（3）通水冷卻時，混凝土表面和內(nèi)部的最高溫度降低。表面采取保溫措施時，通冷卻水措施既可減小墩墻內(nèi)外溫差，同時也可以減小墩墻內(nèi)的最高溫度（基礎(chǔ)溫差）。因此也使得墩墻通水冷卻下的應(yīng)力較不通水冷卻下的應(yīng)力有所改善，有利于混凝土的抗裂■

（作者單位：安徽省水利水電勘測設(shè)計院 230088）