水電站廠房大體積混凝土溫度應力分析與防裂措施

付皓杰

摘要：水電站廠房下部為大跨度厚壁空腔混凝土結(jié)構(gòu)，形狀復雜，體積龐大，受自身及周圍介質(zhì)溫濕度變化的影響，以及基巖的約束作用，不同部位經(jīng)常出現(xiàn)較大的溫度應力，導致混凝土產(chǎn)生裂縫。若混凝土裂縫得不到有效控制，將破壞廠房下部結(jié)構(gòu)整體性，縮短其使用壽命，甚至改變結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，從而影響建筑物安全?；诖?，本文詳細探討了水電站廠房大體積混凝土溫度應力及其防裂措施。

關鍵詞：水電站廠房;大體積混凝土;溫度應力;防裂措施

由于大體積混凝土具有體積大、混凝土數(shù)量大、工程條件復雜、施工工藝要求高等特點，設計及施工中除滿足強度、剛度、完整性、耐久性要求外，還必須控制溫度變形裂縫，以保證結(jié)構(gòu)的完整性及建筑物的安全。因此，控制溫度應力與溫度變形裂縫的擴展是大體積混凝土設計及施工中的一個重要課題。

一、大體積混凝土概述

大體積混凝土是指混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土，稱之為大體積混凝土。

二、水電站廠房大體積混凝土溫度應力計算原理

1、非穩(wěn)定溫度計算原理。在針對混凝土進行計算時，對計算區(qū)域內(nèi)任意一點處進行確定，非穩(wěn)定溫度場在確定過程中，需能滿足熱傳導方程需求，這樣才能保證非穩(wěn)定溫度計算的準確性和有效性。

2、水管冷卻問題處理。通過相關文獻資料中的內(nèi)容顯示，可將冷卻水管當作負熱源，在此基礎上，對其自身水管冷卻效果進行考量和分析。同時，根據(jù)實際情況的不同，能得出混凝土等效熱傳導方程，這樣有利于對水管冷卻問題進行妥善處理。

3、應力場計算原理?；炷猎趶碗s應力環(huán)境下，其自身應變增量包括彈性應變增量、徐變應變增強、溫度應變增強等，在計算應力場時，要將這些因素一并融合其中，這樣才能保證對應力場計算的有效性。

三、水電站廠房大體積混凝土溫度應力計算模型和參數(shù)

1、計算模型。將某水電站廠房標準機組段下部混凝土結(jié)構(gòu)作為分析對象。通過對該機組下部結(jié)構(gòu)分析可知，其自身上下游方向長85.4m、寬30m，高33.3m。在實際操作中，通過有限元計算方式進行分析，由此得知，其自身地基在上下游和深度方向各延伸一倍混凝土結(jié)構(gòu)高度。同時，其自身總共設置18個澆筑層，約束區(qū)層的厚度大概在1至2m，非約束區(qū)層厚度在2至3m左右，每一層內(nèi)又可根據(jù)實際情況具體要求，劃分為2至6個澆筑塊。

2、邊界條件。在針對溫度場技術(shù)計算時，與其自身相關計算模型中的地基底面及四周側(cè)面都會取為絕熱邊界，在機組段上的上下游面積，極其它臨空面大多數(shù)情況下都會將其設置為固體散熱邊界。另外，根據(jù)實際情況，以及該地區(qū)平均風速及覆蓋保溫材料的表面放熱系數(shù)，可對其進行準確判斷。同時，在計算應力場時，其自身地基底面及四周側(cè)面應取為法向約束狀態(tài)，這樣能促使其它臨空面處于自由邊界狀態(tài)。

四、水電站廠房大體積混凝土裂縫問題

1、水泥水化熱。大體積混凝土內(nèi)部熱量主要從水泥水化中產(chǎn)生，由于大體積混凝土截面厚度大，因此水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)不易釋放出來，將會引起急驟升溫?；炷羻挝惑w積內(nèi)的水泥用量和品種是引起水化熱絕熱溫升的重要因素，隨著混凝土齡期按指數(shù)關系增長，最終絕熱溫升時間一般在10d左右，但由于結(jié)構(gòu)自然散熱原因，實際上混凝土內(nèi)部的最高溫度大多發(fā)生在混凝土澆筑后的3～5d左右。

2、混凝土收縮?；炷猎诳諝庵杏步Y(jié)時體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮?；炷猎诓皇芡饬η闆r下的這種自發(fā)變形，受外力約束時（支撐條件、鋼筋等），將在混凝土中產(chǎn)生拉應力，使混凝土開裂。引起混凝土裂縫主要有塑性收縮、干燥收縮、溫度收縮等三種。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固結(jié)硬過程中產(chǎn)生的體積變化，后期主要是在混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)引起的干縮變形。

3、外界氣溫變化。大體積混凝土施工階段，往往要受外界氣溫變化的影響?；炷羶?nèi)部溫度由澆筑溫度、水泥水化熱絕熱溫升、結(jié)構(gòu)散熱降溫等各種溫度的疊加。當外界氣溫越高，混凝土澆筑溫度也越高;外界溫度下降，尤其是驟降，會增加外層混凝土與混凝土內(nèi)部的溫度梯度，產(chǎn)生溫差和溫差應力，當混凝土抗拉強度不足以抵抗該溫度應力時，便產(chǎn)生溫度裂縫。因此選擇低溫澆注，就會減少表層混凝土與外界氣溫的溫差，有助于防止大體積混凝土開裂現(xiàn)象。

五、水電站廠房大體積混凝土防裂措施

1、合理、科學的選擇原材料。影響一個工程質(zhì)量的最根本因素是施工材料，所以需科學選擇整個工程中的材料，混凝土工程中涉及的材料包括：①水泥。水泥是組成混凝土構(gòu)件的重要組成部分。隨著科技的發(fā)展，水泥種類越來越多，需科學選擇整個工程中的水泥，減少澆筑后水熱化影響?？刹捎迷诨炷林袚饺牖旌喜牧?，降低混凝土水熱化現(xiàn)象?？裳邪l(fā)出新材料，用新的材料替換水泥，做到既能提高構(gòu)件強度，又能因水泥用量減少，使混凝土水熱化現(xiàn)象降低。②骨料。在混凝土中，必不可少的材料就是骨料，這些材料是為了約束混凝土中的砂、石等。具體施工時，需根據(jù)具體工程實際分析，在大體積混凝土構(gòu)件中，最好使用大粒徑骨料，只有這樣才能保證整個工程質(zhì)量，并且能有效減少裂縫現(xiàn)象。在具體施工時，必須按施工圖紙中規(guī)范要求進行施工，嚴格控制混凝土中各種材料的用量。③摻和料。在混凝土攪拌時添加摻和料，是為了降低混凝土水熱化現(xiàn)象，換句話說就是降低混凝土內(nèi)部溫度。當前，在混凝土摻和最多的就是粉煤灰，粉煤灰能提高混凝土強度與質(zhì)量，因而，需積極研發(fā)新的摻和料，不斷提高混凝土構(gòu)件質(zhì)量。

2、加強對混凝土施工過程的質(zhì)量控制。①控制好大體積混凝土入模溫度。施工人員在施工結(jié)束后，混凝土構(gòu)件易發(fā)生水熱化現(xiàn)象，這就要求施工人員在澆筑混凝土時，要控制好溫度，以確?；炷翝仓r的溫度不會出現(xiàn)太大變化。而且很少會因高溫天氣導致混凝土水分大量蒸發(fā)。在專業(yè)施工過程中，應嚴格控制好施工溫度;②對水電站廠房大體積混凝土的構(gòu)件做澆筑時，施工人員可選擇更加合理的澆筑方法進行澆筑。比如，選擇分層澆筑法，可確?；炷翗?gòu)件，同時減少水熱化現(xiàn)象，以增強混凝土構(gòu)件承受能力，提升質(zhì)量;③施工人員在澆筑前，應做好各項澆筑前期準備工作，并制定合理、科學的澆筑計劃，在實際施工中，應嚴格依照計劃展開。此外，對比相關施工單位，所涉及到的各項技術(shù)問題，需做好各項教育工作，比如，施工單位為了更好的發(fā)展，應在社會快速發(fā)展指導下，不斷創(chuàng)新技術(shù)，只有控制好技術(shù)，方可提升混凝土構(gòu)件質(zhì)量;④水電站廠房大體積混凝土澆筑結(jié)束后，需對項目展開階段性的驗收，同時做好質(zhì)量監(jiān)測，也就是對混凝構(gòu)件加強管理，做好科學防護。

3、加強對水電站廠房大體積混凝土的養(yǎng)護。水電站廠房大體積混凝土表面的保護、養(yǎng)護工作，需交由專職人員實行輪班巡查，以確保廠房保濕條件處于最優(yōu)狀態(tài)，以免發(fā)生干縮變形情況。整個混凝土養(yǎng)護工作的目的是為使混凝土于適宜環(huán)境下漸漸凝結(jié)，這樣可保證混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定。而且養(yǎng)護工作應在確保混凝土內(nèi)外部溫差較小，同時保證施工溫度不低于使用時的溫度，澆筑結(jié)束后20～28h內(nèi)方可進行，溫度較高時需及早養(yǎng)護。整個養(yǎng)護過程中，施工人員可選擇1.5cm左右外包編織袋（或薄膜），而后加上防水薄膜，這樣可將水電站廠房保護起來，以免陽光直射，從而達到更好的保濕、避曬作用。

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