帶支撐梁的船閘閘室裂縫成因分析*

張潤德，董家領(lǐng)，方朝陽，黎錦釗

(1.廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

軟土地基上的船閘閘室常常采用塢式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是地基受力均勻、結(jié)構(gòu)簡單、對地基承載力的要求較低。但是大量的工程實踐證明，許多采用這種結(jié)構(gòu)形式的船閘閘室在施工期由于溫度變形和約束作用容易產(chǎn)生溫度裂縫[1-2]。同時軟基上船閘閘室的基坑工程又常常采用鋼筋混凝土支撐梁結(jié)構(gòu)保證基坑的安全穩(wěn)定性[3]，支撐梁的存在又會使船閘閘室約束作用更為復(fù)雜。

針對無支撐梁結(jié)構(gòu)的船閘閘室施工期溫控防裂問題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的數(shù)值分析以及工程措施等方面的研究[4-8]，并取得了豐碩的成果，也有學(xué)者研究了溫度變化對支撐梁軸力的影響[9-11]。然而，在澆筑新混凝土?xí)r仍未拆除的支撐梁和新混凝土之間會形成比較大的溫差，同時由于支撐梁的彈性模量較大，由溫度變形和支撐梁約束產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也有可能使船閘產(chǎn)生裂縫，影響船閘的正常使用。

某船閘閘室?guī)в兄瘟航Y(jié)構(gòu)，施工期在支撐梁上部出現(xiàn)表面裂縫。筆者基于有限元分析原理，使用ANSYS軟件對閘室表面裂縫形成原因和分布規(guī)律進(jìn)行研究，提出應(yīng)對措施，防止裂縫產(chǎn)生。

1 現(xiàn)場結(jié)構(gòu)布置及溫度裂縫情況

某船閘為Ⅲ級船閘，其閘室坐落在黏性土層和砂層上，屬于軟基上的船閘結(jié)構(gòu)。閘室采用整體塢式結(jié)構(gòu)，單節(jié)閘室長17.0 m，高25.34 m，結(jié)構(gòu)尺寸較大，因此，在開挖基坑過程中采用臨時支護(hù)措施即澆筑支撐梁平衡結(jié)構(gòu)應(yīng)力和避免產(chǎn)生不均勻沉降。支撐梁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在閘室澆筑至一定高程后才予以拆除。

根據(jù)施工方案，閘室兩側(cè)閘墻上部各有2層空箱。支撐梁穿過第1層閘室空箱，支撐梁由3道對頂撐以及2道斜撐組成，對頂撐以及斜撐斷面尺寸均為1.0 m×1.1 m(寬×高)。支撐梁混凝土強(qiáng)度等級為C40，閘室主體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級為C25。船閘閘室及支撐梁結(jié)構(gòu)見圖1。

某節(jié)閘室澆筑含有支撐梁結(jié)構(gòu)的空箱層后，支撐梁上部出現(xiàn)豎向的表面裂縫，裂縫自支撐梁上部延伸至該澆筑層頂部，長度約為1.2 m，深1～2 mm(圖2)。經(jīng)現(xiàn)場初步判斷，是支撐梁結(jié)構(gòu)對新澆筑混凝土的溫度場和溫度應(yīng)力場產(chǎn)生較大影響所致。

圖1船閘閘室及支撐梁結(jié)構(gòu)(尺寸：mm； 高程：m。下同)

圖2 閘室裂縫

2 溫控仿真計算參數(shù)及模型

2.1 氣溫

船閘所在流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫較高，氣溫年變幅較小。當(dāng)?shù)貧庀蠼y(tǒng)計資料顯示，流域多年平均氣溫21.7 ℃，最熱為7月，平均氣溫25.8 ℃，最冷為1月，平均氣溫18.4 ℃。

2.2 混凝土熱力學(xué)參數(shù)

閘室混凝土熱力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

表1 混凝土力學(xué)參數(shù)

表2 混凝土熱學(xué)參數(shù)

注：a為水化熱達(dá)到一半時的齡期。

2.3 有限元模型

支撐梁連接在基坑兩端，但在建立模型時對支撐梁做截斷處理。在計算溫度場時，截斷處以外的支撐梁對新澆筑混凝土的溫度場的影響較小，而在應(yīng)力場的計算中，將支撐梁截斷處視為全約束邊界條件。有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型

3 裂縫成因分析

在已澆筑3個多月的閘室邊墻輸水廊道層上澆筑閘室空箱層。澆筑溫度為30 ℃，空箱結(jié)構(gòu)層采用懸臂式鋼模板，澆筑后7 d拆模，不采取通水及保溫措施。

3.1 特征點選取

船閘閘室空箱層仿真計算以單節(jié)閘室為研究對象，因裂縫全部出現(xiàn)在支撐梁上部，故選取位于支撐梁上部的空箱側(cè)墻的內(nèi)外特征點，特征點距離支撐梁頂面0.23 m，其中表面點位于側(cè)墻表面，內(nèi)部點距側(cè)表面0.6 m。典型截面選取中部縱截面。特征點見圖1b)。

3.2 溫度場和溫度應(yīng)力場分析

閘室空箱支撐梁上部內(nèi)外特征點溫度歷時曲線見圖4，溫度結(jié)果統(tǒng)計見表3。表面點散熱條件好，最高溫度出現(xiàn)齡期早，在混凝土澆筑后1 d即達(dá)到最高溫度35.67 ℃；內(nèi)部點散熱條件差，最高溫度出現(xiàn)的齡期稍晚，在齡期2 d達(dá)到最高溫度49.35 ℃；特征點內(nèi)外溫差在澆筑后2.5 d達(dá)到最大，為16.02 ℃，溫度梯度達(dá)到26.70 ℃m。

圖4 支撐梁上部特征點溫度歷時曲線表3 30 ℃澆筑下特征點溫度

特征點最高溫度∕℃出現(xiàn)齡期∕d最大內(nèi)外溫差∕℃出現(xiàn)齡期∕d表面點49.35216.022.5內(nèi)部點35.671

閘室空箱支撐梁上部內(nèi)外特征點溫度應(yīng)力歷時曲線見圖5。從圖5可以看出，在空箱混凝土澆筑初期，表面點的拉應(yīng)力迅速增長，在齡期2.5 d即達(dá)到最大拉應(yīng)力。原因在于，由于空箱側(cè)墻表面的散熱條件較好，混凝土澆筑后表面點的溫升幅度遠(yuǎn)小于內(nèi)部點的溫升幅度，產(chǎn)生較大的內(nèi)、外溫差以及溫度梯度，由此產(chǎn)生的內(nèi)外變形約束使空箱側(cè)墻表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，外加支撐梁老混凝土的強(qiáng)約束作用，導(dǎo)致表面點的拉應(yīng)力迅速增加。

圖5 支撐梁上部特征點溫度應(yīng)力歷時曲線

采用抗裂安全系數(shù)對混凝土開裂可能性進(jìn)行量化，而關(guān)于水運工程施工期溫控抗裂安全系數(shù)的最小值取值問題，在JTS 202-1—2010《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》中對此規(guī)定為1.40。該方案下的溫度應(yīng)力結(jié)果如表4所示。

表4 30 ℃澆筑下特征點溫度應(yīng)力

由表4可知，空箱側(cè)墻表面拉應(yīng)力在早期迅速增長，在齡期2.5 d即達(dá)到最大拉應(yīng)力1.24 MPa，而此時混凝土的抗拉強(qiáng)度還很低，使得表面點的抗裂安全系數(shù)很小，最小值為0.98，在拆模前就產(chǎn)生起裂于支撐梁上部，并且向上發(fā)展至該澆筑層頂部的豎向表面裂縫。因此，須進(jìn)一步加強(qiáng)溫控措施，避免早期混凝土表面裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

4 裂縫分布規(guī)律分析

4.1 特征點選取

裂縫分布如圖2所示。為了分析裂縫的分布規(guī)律，選取位于支撐梁上部的空箱側(cè)墻表面特征點，特征點分布在3道支撐梁上方以及兩側(cè)，特征點見圖6。

圖6 特征點位置

4.2 溫度應(yīng)力場分析

由圖7可知，空箱側(cè)墻表面拉應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻狀態(tài)。空箱側(cè)墻表面在支撐梁上方出現(xiàn)應(yīng)力峰值，左右兩側(cè)支撐梁上部應(yīng)力峰值出現(xiàn)位置更靠近支撐梁邊緣，中間支撐梁上方應(yīng)力峰值位置出現(xiàn)在正上方，2根支撐梁中間部位的最大拉應(yīng)力較小，可以看出支撐梁對上部混凝土的約束作用較強(qiáng)。閘室空箱會在側(cè)墻自身的內(nèi)外變形約束以及支撐梁的強(qiáng)約束作用下出現(xiàn)起裂點，其位置在支撐梁上方且向上延伸至表面形成裂縫。這與觀察到的施工期閘室空箱開裂現(xiàn)象相吻合。

圖7 特征點最大拉應(yīng)力分布

5 防止產(chǎn)生溫度裂縫的溫控方案

在原有澆筑方案下，閘室空箱支撐梁上部在內(nèi)外溫差和支撐梁強(qiáng)約束作用下會產(chǎn)生表面裂縫，為保證空箱混凝土的抗裂安全，需要采取更為有效的溫控措施。經(jīng)分析，考慮在原溫控方案的基礎(chǔ)上降低澆筑溫度至26 ℃，同時計算不通水、通水以及通水+保溫3種方案。通水方案中在第1層空箱頂部埋設(shè)1層冷卻水管，采用PE管通水，水平間距1.5 m，管長60 m，通水時間5 d，冷卻水溫20 ℃，通水流量1.2 m3h。保溫方案中在鋼模板外貼1 cm厚泡沫塑料保溫板進(jìn)行表面保溫，拆模時間仍為7 d。

26 ℃澆筑時，3種方案下閘室空箱支撐梁上部特征點的溫度與溫度應(yīng)力結(jié)果分別如表5、6所示。

表5 26 ℃澆筑下特征點溫度

表6 26 ℃澆筑下特征點溫度應(yīng)力

計算結(jié)果表明，當(dāng)澆筑溫度由30 ℃降低至26 ℃時，內(nèi)部點的最高溫度降低了2.27 ℃，最大內(nèi)外溫差由16.02 ℃減小到14.58 ℃，表面點的最大拉應(yīng)力下降，最小抗裂安全系數(shù)提高至1.10，但仍不滿足1.40的抗裂安全系數(shù)要求。水管冷卻能夠有效地降低混凝土內(nèi)部溫度和內(nèi)外溫差，當(dāng)在26 ℃澆筑的基礎(chǔ)上采取通水措施時，特征點的最大內(nèi)外溫差減小到13.37 ℃，表面點早期的最大拉應(yīng)力降低到1.01 MPa，最小抗裂安全系數(shù)提高至1.20，也不滿足要求。當(dāng)采取表面保溫和內(nèi)部水管冷卻相結(jié)合的溫控措施后，閘室側(cè)墻早期的最大內(nèi)外溫差顯著減小，僅為7.74 ℃，相較于30 ℃澆筑時，降幅達(dá)到51.7%，因此空箱側(cè)墻表面拉應(yīng)力顯著減小，表面點的最小抗裂安全系數(shù)提高至1.40，滿足溫控防裂要求。

此溫控方案在后續(xù)施工中應(yīng)用，施工中進(jìn)行局部通水冷卻，在空箱頂部埋設(shè)了1層冷卻水管，實測通水水溫在20～22 ℃，通水時間為5 d。同時，在鋼模板外貼1 cm厚的泡沫保溫板，在澆筑后7 d拆模。此外，混凝土生產(chǎn)過程中采用遮陽以及預(yù)冷骨料降低澆筑溫度，實測澆筑溫度較推薦澆筑溫度稍高，達(dá)27～28 ℃。經(jīng)計算，此時表面點的抗裂安全系數(shù)為1.34～1.37，雖然小于規(guī)范要求的數(shù)值，但僅相差2.1%～4.3%。經(jīng)現(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn)裂縫，說明采用表面保溫和內(nèi)部水管冷卻相結(jié)合的溫控措施能達(dá)到良好的防裂效果。

6 結(jié)論

1)空箱側(cè)墻屬于薄壁結(jié)構(gòu)，早期在支撐梁上部出現(xiàn)表面裂縫，一方面是由于混凝土澆筑后過大的內(nèi)外溫差產(chǎn)生的內(nèi)外變形約束；另一方面是由于支撐梁對新澆筑混凝土的約束造成的變形不協(xié)調(diào)，實踐中須采取相應(yīng)的溫控措施。

2)嚴(yán)格控制澆筑溫度，并采取適當(dāng)?shù)乃芾鋮s和適時的表面保溫相結(jié)合的溫控措施可以減小早期閘室空箱混凝土內(nèi)外溫差和表面拉應(yīng)力，特別是表面保溫對于減小早期拉應(yīng)力的作用最大，能防止表面裂縫出現(xiàn)。