混凝土閘墩分層澆筑時(shí)間間隔的優(yōu)化控制

張杰 孫明明

摘要：在大體積混凝土分層澆筑過(guò)程中，澆筑間隔是控制混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的一個(gè)重要因素。針對(duì)混凝土閘墩分層澆筑時(shí)間間隔問(wèn)題，通過(guò)對(duì)分層澆筑施工過(guò)程中閘墩溫度應(yīng)力進(jìn)行分析，闡述了分層澆筑對(duì)閘墩應(yīng)力的影響，并結(jié)合實(shí)例提出控制澆筑時(shí)間間隔、優(yōu)化工程施工的方法。結(jié)果表明：該閘墩工程一、二期混凝土澆筑時(shí)間間隔為12 d時(shí)溫度應(yīng)力和保證系數(shù)均達(dá)到最佳值。以閘墩表面溫度應(yīng)力為控制指標(biāo)，選取合理的間隔時(shí)間，不僅能降低表面溫度應(yīng)力、避免溫度裂縫的出現(xiàn)，而且還可以加快施工進(jìn)度、縮短施工周期。

關(guān)鍵詞：分層澆筑；閘墩；時(shí)間間隔；優(yōu)化控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TV544+.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.029

閘墩是水工建筑物的關(guān)鍵部位。水工混凝土閘墩結(jié)構(gòu)體積較大，澆筑后水泥的早期水化熱將導(dǎo)致其內(nèi)部溫度在施工期顯著升高[1]，且混凝土澆筑在基巖上，因溫度變形受到約束而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生溫度裂縫。為防止閘墩溫度裂縫的產(chǎn)生，實(shí)際工程中多采用選擇合適的原材料、優(yōu)化混凝土配合比、降低澆筑溫度、通冷卻水及混凝土澆筑分縫分塊方式[2]。由于混凝土閘墩澆筑體積大，屬于高層水工建筑物，因此施工過(guò)程中多進(jìn)行分層澆筑。分層澆筑不僅可防止因水化熱散發(fā)不出而引起的裂縫，而且可減少混凝土的一次澆筑量，易組織施工[3]。大體積混凝土分層澆筑時(shí)間間隔一般為7～20d，時(shí)間間隔過(guò)短時(shí)，老混凝土未達(dá)到一定強(qiáng)度，影響結(jié)構(gòu)性能；時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)時(shí)，老混凝土散熱基本結(jié)束，使得老混凝土對(duì)新混凝土約束作用增強(qiáng)，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。筆者以某混凝土水閘閘墩為例，以閘墩側(cè)面溫度應(yīng)力為控制指標(biāo)，控制合理的澆筑時(shí)間間隔和澆筑溫度，在保證閘墩結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，縮短施工周期。

1 分層澆筑混凝土溫度場(chǎng)計(jì)算理論

對(duì)于進(jìn)行分層或跳倉(cāng)澆筑的水工大體積混凝土，設(shè)第i層混凝土的澆筑范圍為Ri（i=1，2，…，N；N為澆筑層數(shù)），則第i層混凝土熱傳導(dǎo)方程為[4]式中：T為混凝土溫度；x、y、z為混凝土三維坐標(biāo)；λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)；c為混凝土比熱；ρ為材料密度；θi

在運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行模擬時(shí)，可以通過(guò)生死單元功能來(lái)實(shí)現(xiàn)混凝土的分層澆筑，當(dāng)澆筑第i層時(shí)，可通過(guò)ekill命令殺死i+1層到第N層混凝土單元，然后根據(jù)混凝土澆筑順序依次激活（ealive）下層單元，實(shí)現(xiàn)混凝土分層澆筑的溫度場(chǎng)模擬。

大體積水工混凝土澆筑過(guò)程中，混凝土內(nèi)部水化熱集中，溫度較高，外表面因與環(huán)境進(jìn)行熱交換而溫度較低，內(nèi)部混凝土膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力，外部則產(chǎn)生拉應(yīng)力?；炷烈驕囟茸兓a(chǎn)生線應(yīng)變，由應(yīng)變求出混凝土變形，從而得到節(jié)點(diǎn)位移，通過(guò)節(jié)點(diǎn)位移求得混凝土的溫度應(yīng)力σ。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

河南省某水庫(kù)加固時(shí)對(duì)溢洪道閘門(mén)進(jìn)行了整體改造，其底板結(jié)構(gòu)為實(shí)用堰型，閘墩改造采用分層澆筑方法，其體積為2.5m×18.0m×23.0m，完成澆筑后做好后期養(yǎng)護(hù)。該工程共有閘墩6座，本次以中四墩為例進(jìn)行，中四墩澆筑時(shí)間選在春季3-4月，分3層澆筑，澆筑情況見(jiàn)表1。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

（1）熱學(xué)參數(shù)。閘墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，其配合比見(jiàn)表2。根據(jù)試驗(yàn)資料，并參考相關(guān)研究成果，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為275.5 kJ/（m·d·℃），密度為2415.8kg/m3，比熱為0.91kJ/（kg·℃），放熱系數(shù)為1514kJ/（m2·d·℃）。閘墩基巖的導(dǎo)熱系數(shù)為296.5kJ/（m·d·℃），比熱為0.92kJ/（kg·℃），密度為2600kg/m3，放熱系數(shù)為1514kJ/（m2·d·℃）。

（2）力學(xué)參數(shù)?；炷翝仓捌?，抗拉強(qiáng)度隨齡期逐漸變化，混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可表示為

Rt=0.232Rc2/3（6）式中：Rt為混凝土的抗拉強(qiáng)度；Rc為混凝土的抗壓強(qiáng)度。

Rc（τ）=Rc28[1+mln（τ/28）]（7）式中：Rc（τ）為齡期τ的混凝土抗壓強(qiáng)度；Rc28為28d齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度；τ為混凝土齡期，d；m為系數(shù)，與水泥品種有關(guān)，礦渣硅酸鹽水泥m=0.2471，普通硅酸鹽水泥m=0.1727，普通硅酸鹽水泥摻60%粉煤灰m=0.3817。

2.3 模型建立

運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件建模計(jì)算時(shí)考慮下部基巖的影響，以及溫度場(chǎng)計(jì)算的合理性和計(jì)算時(shí)間的要求，兼顧閘墩結(jié)構(gòu)和基巖的尺寸，本文中取基巖對(duì)應(yīng)于閘墩的上下左右方向?yàn)?倍的墩厚?；炷翝仓笤陧敯宓谋砻娓采w塑料薄膜和兩層濕草簾。鋼模板表面覆蓋一層薄膜和兩層草簾進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。四周邊界設(shè)為絕熱邊界條件，混凝土表面養(yǎng)護(hù)材料與空氣接觸形成熱對(duì)流邊界。四周通過(guò)鋼模板和空氣進(jìn)行熱交換，近似處理為第三類(lèi)邊界條件。

為了確保仿真模擬的精確性，采用六面體單元并盡可能對(duì)稱劃分?；炷梁突鶐r溫度場(chǎng)分析時(shí)采用ANSYS熱分析單元中的SOLID70單元，該單元有x、y、z三個(gè)方向的熱傳導(dǎo)功能，共有8個(gè)溫度自由度，可用于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)熱分析。溫度應(yīng)力分析時(shí)將SOLID70溫度單元轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的 SOLID45結(jié)構(gòu)單元[5]，將溫度荷載施加于結(jié)構(gòu)單元，實(shí)現(xiàn)兩者的耦合分析。施加約束和邊界條件后，賦予混凝土和基巖材料熱傳導(dǎo)屬性，然后劃分網(wǎng)格進(jìn)行溫度應(yīng)力模擬分析。

2.4 原澆筑方案應(yīng)力分析

由工程安排可知，中四墩分層澆筑過(guò)程中，第一、二層澆筑時(shí)間間隔為12d，澆筑第三層時(shí)為保證前兩層混凝土充分散熱與第二層間隔時(shí)間為27d。該閘墩澆筑時(shí)間在春季3-4月，水庫(kù)環(huán)境狀況良好，溫差變化幅度小。因閘墩在順?biāo)飨颍▂坐標(biāo)軸方向）的尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閘墩橫向的尺度，故拉應(yīng)力σ，是引起開(kāi)裂的主要原因。因此，重點(diǎn)分析y向的應(yīng)力變化情況。為保證模擬分析的準(zhǔn)確性，環(huán)境溫度采用當(dāng)?shù)貙?shí)際溫度。

由圖1可以看出，在二期混凝土澆筑后12d內(nèi)，一期混凝土和二期混凝土側(cè)面溫度應(yīng)力均達(dá)到峰值，分別為2.24mPa和2.59MPa。原因是，澆筑當(dāng)天一期混凝土接觸面中心點(diǎn)溫度及內(nèi)部中心點(diǎn)溫度均遠(yuǎn)高于二期混凝土澆筑溫度（8℃），導(dǎo)致一期和二期混凝土產(chǎn)生較大溫差，溫度梯度不均勻，從而產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力。三期混凝土在澆筑后9d內(nèi)溫度應(yīng)力上升，并達(dá)到峰值，原因是三期混凝土與二期混凝土澆筑間隔時(shí)間為27d，間隔時(shí)間長(zhǎng)雖然保證了二期混凝土散熱完成，避免了二期混凝土在三期混凝土澆筑時(shí)溫度應(yīng)力增加的情況，但是增大了“老混凝土”對(duì)新澆筑混凝土的約束力，使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了更多的溫度裂縫。為此，中四墩在實(shí)際施工中為降低溫度應(yīng)力、減少溫度裂縫的產(chǎn)生，在閘墩中采取了預(yù)留后澆帶的保障措施。由以上分析可知，后期混凝土澆筑溫度和澆筑時(shí)間間隔是影響分層澆筑混凝土溫度應(yīng)力的重要因素。

2.5 新老混凝土相互影響

（1）溫度應(yīng)力影響。僅考慮前兩期混凝土澆筑，一期混凝土不同位置溫度變化見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，二期混凝土澆筑前，一期混凝土上表面中心點(diǎn)溫度高于側(cè)面中心點(diǎn)溫度，原因是上表面面積小于側(cè)表面面積，熱量擴(kuò)散速度慢，且距離混凝土中心點(diǎn)距離短，溫度偏高；二期混凝土澆筑后7d內(nèi)，一期混凝土上表面中心點(diǎn)溫度與側(cè)面中心點(diǎn)溫度差值較大，上表面中心點(diǎn)溫度高于內(nèi)部中心點(diǎn)溫度，原因是上表面作為兩期混凝土的接觸面，只有溫度傳導(dǎo)，沒(méi)有熱量擴(kuò)散，而且距離二期混凝土更近，接受二期混凝土傳遞的熱量更多，溫度偏高。在第14天二期混凝土澆筑時(shí)，一期混凝土上表面和側(cè)面溫度均出現(xiàn)短暫上升情況，原因是二期混凝土澆筑前期，大量水化熱傳導(dǎo)到一期混凝土，造成其溫度上升。一期混凝土內(nèi)部中心點(diǎn)溫度上升不明顯，變化趨勢(shì)基本未改變，原因是其在混凝土內(nèi)部，受二期混凝土影響較小，溫度變化不明顯。

一期混凝土側(cè)面和上表面溫度應(yīng)力變化見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，在二期混凝土澆筑時(shí)，一期混凝土上表面和側(cè)面溫度應(yīng)力均出現(xiàn)下降情況，側(cè)面溫度應(yīng)力從1.83mPa下降到1.40mPa，上表面溫度應(yīng)力從0.42MPa下降到0.27mPa，原因是二期混凝土澆筑時(shí)減小了一期混凝土內(nèi)外溫差。之后由于一期混凝土水化熱基本進(jìn)行完畢，而二期混凝土水化熱增加，因此一期混凝土和二期混凝土溫差增大，溫度應(yīng)力增大，最后慢慢趨向殘余應(yīng)力。一期混凝土側(cè)面溫度受環(huán)境溫度影響大，波動(dòng)劇烈，溫度應(yīng)力變化頻繁。

由以上分析可知，新混凝土澆筑時(shí)能夠減小老混凝土溫度應(yīng)力，分層澆筑時(shí)可選擇在老混凝土溫度應(yīng)力超過(guò)允許值或達(dá)到最大值時(shí)澆筑后期混凝土，以減小危險(xiǎn)溫度應(yīng)力或?qū)⒃搼?yīng)力延后。

（2）澆筑溫度對(duì)應(yīng)力的影響。新混凝土的澆筑溫度在初始階段是影響老混凝土溫度的重要因素，新混凝土不同澆筑溫度造成的溫度梯度不同，溫度應(yīng)力相應(yīng)也不同。圖4是二期混凝土澆筑溫度分別為8、20、30℃時(shí)一期混凝土側(cè)面溫度應(yīng)力變化情況。從圖4可以看出，在二期混凝土按不同溫度澆筑后，一期混凝土側(cè)面溫度應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，并且呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，二期混凝土澆筑溫度越高，一期混凝土溫度應(yīng)力越小。原因是澆筑溫度低，自身熱量少，二期混凝土水化熱量累積少，傳遞給一期混凝土的熱量就少，一期和二期混凝土溫差就增大，溫度應(yīng)力就增大。因此，在二期混凝土澆筑溫度選擇上，在滿足工程施工要求的情況下，可盡量選擇較高的澆筑溫度。

3 分層澆筑優(yōu)化控制

3.1 一期混凝土澆筑

一期混凝土單獨(dú)澆筑時(shí)側(cè)面溫度應(yīng)力見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，在早期升溫階段，側(cè)表面點(diǎn)受到高溫區(qū)混凝土的膨脹作用而受拉，10d齡期內(nèi)拉應(yīng)力快速增大，13d齡期后內(nèi)部混凝土溫度下降，內(nèi)表溫差降低導(dǎo)致溫度應(yīng)力減小，之后受環(huán)境溫度的影響其側(cè)面存在波動(dòng)殘余應(yīng)力。閘墩側(cè)面拉應(yīng)力均未超過(guò)該齡期混凝土允許拉應(yīng)力，在7～13d齡期閘墩拉應(yīng)力達(dá)到峰值，已接近允許拉應(yīng)力，二期混凝土澆筑可選擇在7-13d齡期內(nèi)進(jìn)行。

由上述分析可知：二期混凝土的澆筑可使閘墩一期混凝土外表面拉應(yīng)力減小，可選擇在其拉應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)澆筑二期混凝土，以降低工程危險(xiǎn)性。13d齡期時(shí)一期混凝土側(cè)面拉應(yīng)力達(dá)到最大值1.83MPa，且14～18d外界環(huán)境溫度分別為8.5、9.5、8.0、8.5、11.0℃，溫度變化幅度小[6]，同時(shí)13d齡期后一期混凝土的強(qiáng)度也滿足工程要求，因此二期混凝土澆筑可選擇在一期第13d齡期進(jìn)行。13d齡期時(shí)，一期混凝土表面溫度為23℃，中心點(diǎn)溫度約為30℃，二期混凝土澆筑時(shí)，澆筑溫度過(guò)低會(huì)增加一期混凝土溫度應(yīng)力，為減小新老混凝土之間的溫度差，縮小溫度梯度，取一期混凝土中心點(diǎn)溫度30℃為二期混凝土澆筑溫度。

3.2 優(yōu)化方案二期混凝土澆筑

由于一期混凝土側(cè)面溫度應(yīng)力明顯大于上表面溫度應(yīng)力，因此應(yīng)力防控可僅考慮側(cè)面溫度應(yīng)力控制。由圖6可以看出，13d齡期澆筑二期混凝土?xí)r，一期混凝土側(cè)面溫度應(yīng)力由1.83MPa降低到1.25MPa，15～17d齡期內(nèi)由于二期混凝土水化熱的產(chǎn)生，因此其溫度應(yīng)力達(dá)到峰值，為1.88MPa，但此時(shí)混凝土允許抗拉強(qiáng)度也隨之增加，3d峰值保證系數(shù)分別為1.28、1.24、1.27，均大于一期混凝土13d齡期時(shí)的保證系數(shù)（1.23）。說(shuō)明選擇在13d齡期時(shí)澆筑二期混凝土是合理的。

二期混凝土側(cè)面中心點(diǎn)溫度應(yīng)力變化見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，25d齡期時(shí)二期混凝土側(cè)面溫度應(yīng)力達(dá)到最大值（1.88MPa）。二期混凝土側(cè)面拉應(yīng)力雖均大于混凝土允許抗拉強(qiáng)度，但在25d齡期時(shí)即拉應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，其已接近允許抗拉強(qiáng)度，保證系數(shù)為1.2，是齡期內(nèi)最小值，且26～31d齡期環(huán)境溫度分別為8.5、10.5、12.0、13.5、14.0、15.0℃，處于升溫期，因此選擇在25d齡期時(shí)澆筑三期混凝土。而此時(shí)環(huán)境溫度為5℃，不適宜選為澆筑溫度，因此選取二期混凝土25d齡期時(shí)的內(nèi)部中心點(diǎn)溫度32℃為三期混凝土澆筑溫度。

3.3 三期混凝土澆筑

從圖8可以看出，二期混凝土側(cè)面和上表面溫度應(yīng)力在25d齡期時(shí)均大幅度下降，側(cè)面溫度應(yīng)力下降到1.20MPa，25d后側(cè)面和上表面溫度應(yīng)力最大值點(diǎn)的保證系數(shù)分別為1.35和1.55，滿足結(jié)構(gòu)要求[7]。

澆筑完成后，三期混凝土側(cè)面溫度應(yīng)力在34d齡期時(shí)達(dá)到最大值（1.9MPa，見(jiàn)圖9），小于允許拉應(yīng)力（2.18MPa），滿足結(jié)構(gòu)要求。

4 結(jié)果對(duì)比

優(yōu)化方案和原方案各個(gè)澆筑期側(cè)面和上表面最大溫度應(yīng)力和保證系數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知：除二期混凝土上表面優(yōu)化方案的溫度應(yīng)力大于原方案的外，其余5個(gè)溫度應(yīng)力均小于原方案的，保證系數(shù)除二期上表面的小于原方案的外其余均大于原方案的。優(yōu)化方案二期混凝土上表面溫度應(yīng)力雖然偏大，但1.55的保證系數(shù)完全滿足工程需要。

優(yōu)化方案在50d齡期附近閘墩溫度應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定，原方案澆筑間隔時(shí)間大于優(yōu)化方案，在60d齡期附近閘墩溫度應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定。原方案二期混凝土和三期混凝土澆筑間隔時(shí)間較長(zhǎng)，雖然便于一期和二期混凝土溫度擴(kuò)散，但是由于下層混凝土溫度傳導(dǎo)已完成，因此造成澆筑時(shí)上下層混凝土溫差過(guò)大，二期混凝土和三期混凝土側(cè)面溫度應(yīng)力最大值均超過(guò)該齡期的允許抗拉強(qiáng)度，易產(chǎn)生溫度裂縫。

5 結(jié)論

在大體積混凝土分層澆筑過(guò)程中，通過(guò)模擬下層混凝土澆筑過(guò)程中溫度和溫度應(yīng)力變化，選擇溫度應(yīng)力大于允許抗拉強(qiáng)度或者最大溫度應(yīng)力發(fā)生時(shí)間為后期混凝土澆筑時(shí)間，同時(shí)為減小新老混凝土溫差，以該齡期下層混凝土中心溫度為澆筑溫度的優(yōu)化方案澆筑混凝土，不僅可以減小澆筑時(shí)間間隔，縮短工期，而且可以減小溫度應(yīng)力，防止溫度裂縫產(chǎn)生，能夠滿足混凝土施工要求。

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