倒虹吸施工期溫控防裂問題探討

帥兵兵

(江西省水投建設(shè)集團(tuán)有限公司 ,南昌 330000)

0 引 言

倒虹吸是灌溉工程及調(diào)水工程中常見的交叉建筑物,其施工質(zhì)量直接關(guān)系到灌溉及調(diào)水工程的運(yùn)行效果。倒虹吸斷面形式包括箱形、拱形和圓形等,屬于典型的空腔薄壁異形大體積混凝土結(jié)構(gòu),混凝土澆筑施工過程中必然面臨溫控防裂難題。

混凝土屬于熱性材料,在澆筑完成之初,因水泥水化熱的作用,混凝土內(nèi)部溫度將急劇升高;當(dāng)外界溫度較低時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)表面熱量散發(fā)快而內(nèi)部熱量散發(fā)慢,內(nèi)外出現(xiàn)溫度差,過大的溫度差必將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外變形不一致,相對(duì)變形引發(fā)結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力。這種拉應(yīng)力超出混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)必將引發(fā)結(jié)構(gòu)裂縫。倒虹吸結(jié)構(gòu)物因長(zhǎng)度向尺寸遠(yuǎn)大于厚度向尺寸,結(jié)構(gòu)整體收縮所引發(fā)的拉應(yīng)力均較大,一旦出現(xiàn)裂縫,必將貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)。深入分析倒虹吸結(jié)構(gòu)物混凝土澆筑后內(nèi)部應(yīng)力主要影響因素及變動(dòng)趨勢(shì),并提出合理有效的溫控措施,對(duì)于類似水工建筑物施工質(zhì)量控制具有積極意義。

1 工程概況

上饒市城市防洪三江導(dǎo)托渠改擴(kuò)建渠道總長(zhǎng)7212m,新建進(jìn)水閘、攔水堰(閘)各一座。上饒市城市防洪工程為Ⅲ等工程,三江導(dǎo)托渠工程建筑物級(jí)別為三級(jí),治澇標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇洪水。本工程需要導(dǎo)流的主要建設(shè)項(xiàng)目有導(dǎo)排渠(3+989～4+270)段、進(jìn)水閘、攔水閘、橋梁以及外江碼頭等。信江(出水閘)位于信州水利樞紐上游約1.0km,根據(jù)《江西省上饒市信州水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)》可知,信州水利樞紐的正常蓄水位為66.0m。

三江導(dǎo)托渠改擴(kuò)建渠道倒虹吸管身段為兩聯(lián)雙孔箱涵形式,每節(jié)管身左右兩聯(lián)均對(duì)稱布置,箱涵孔凈尺寸為6.5m×6.8m,結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)高度為9.3m,兩聯(lián)總寬度為16.3m;頂?shù)装寮懊柯?lián)管身外側(cè)邊墻混凝土厚1.2m,兩孔間隔墻厚1.0m。管身段采用C30強(qiáng)度的混凝土和雙層鋼筋結(jié)構(gòu),φ28mm主筋按照12.5m間距布置,φ18mm分布筋按照20cm間距布置。單節(jié)管身段混凝土方量218.9m3。根據(jù)倒虹吸施工方案,沿著管身段混凝土高度分三次澆筑:首次主要澆筑底板、下部倒角和倒角上0.6m段墻體,總澆筑高度2.4m;第二次澆筑設(shè)計(jì)高度為4.0m的墻體;第三次澆筑頂板以及上部倒角、剩余墻體?；炷敛捎帽盟图安剂蠙C(jī)兩種方式入倉(cāng);澆筑結(jié)束后通過棉被或土工膜覆蓋養(yǎng)生。

2 計(jì)算模型

2.1 仿真區(qū)域

穿渠倒虹吸管身為雙孔雙聯(lián)鋼筋混凝土箱形設(shè)計(jì),且左右對(duì)稱,厚度較薄,底板具有很強(qiáng)的約束作用,同時(shí)面臨嚴(yán)峻的溫控防裂問題[1]。為保證模擬結(jié)果的真實(shí)準(zhǔn)確,以雙孔單聯(lián)直管段為計(jì)算模型,模型邊界四周和下方的地基均向外延伸30m。

通過結(jié)構(gòu)實(shí)體單元和熱力學(xué)單元離散穿渠倒虹吸管體,并對(duì)應(yīng)力溫度耦合場(chǎng)展開分析。結(jié)合該穿渠倒虹吸工程混凝土澆筑施工特點(diǎn)劃分計(jì)算單元,共將計(jì)算模型劃分成27463個(gè)單元和31846個(gè)節(jié)點(diǎn),其中在厚度方向?qū)⒌装搴投諌澐殖?層及9層單元,豎向則將每0.3m劃分成1層單元,以上劃分均與實(shí)際澆筑層厚度吻合,計(jì)算精度有保證。

2.2 邊界條件

穿渠倒虹吸混凝土散熱系數(shù)取值主要取決于外界環(huán)境溫度和風(fēng)速。結(jié)合國(guó)家氣象站和上饒市氣象站所提供的氣溫觀測(cè)統(tǒng)計(jì)資料,2020年12月—2021年12月工程所在地平均氣溫位于-10～21℃之間,工程區(qū)常年風(fēng)速均值為12.1km/h。因倒虹吸屬于水工地下建筑物,根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》,可以估算出該穿渠倒虹吸表面風(fēng)速達(dá)到10.4km/h,相應(yīng)的混凝土散熱系數(shù)取60.41kJ/(m2·h·℃)。

將混凝土和四周墊層接觸邊界設(shè)定為絕熱邊界,相應(yīng)的熱傳導(dǎo)系數(shù)取0kJ/(m2·h·℃)。在進(jìn)行大體積混凝土內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí),基礎(chǔ)底面和四周分別為三維零位移約束和法向零位移約束[2]。

2.3 計(jì)算工況

在對(duì)該穿渠倒虹吸混凝土施工過程詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上,選擇多種溫控方案典型工況展開計(jì)算,以期優(yōu)選出契合工程實(shí)際的溫控防裂方案。試算后,最終確定出兩類施工工況。

工況1:在一年中任意季節(jié)澆筑,且不采取任何溫控措施,底板及墩墻澆筑2d后拆模,頂板混凝土澆筑10d后拆模?；炷翝仓┕て陂g,晝夜溫差達(dá)到10℃,根據(jù)環(huán)境溫度及施工經(jīng)驗(yàn),暫將澆筑溫度控制在環(huán)境溫度+4℃。

工況2:在避開冬季和夏季的任意季節(jié)澆筑,對(duì)C30混凝土摻加5%粉煤灰以優(yōu)化配合比(見表1),將混凝土入倉(cāng)溫度從22℃降至15℃。每層混凝土澆筑完成2d后遭遇持續(xù)3d降溫15℃的寒潮,并在1d內(nèi)恢復(fù)正常溫度。墩墻、底板間增設(shè)厚度為1cm的工業(yè)毛氈,底板側(cè)則加設(shè)厚度為1cm的泡沫板,持續(xù)保溫5d后連同模板一起拆除。墩墻表面則設(shè)置厚度1cm的泡沫板,其與頂板間設(shè)置厚1cm的工業(yè)毛氈,持續(xù)保溫7d后與模板一同拆除。

表1 C30混凝土配合比 kg/m3

在分析過程中,通過將散熱系數(shù)取值調(diào)整為24.7kJ/(m2·h·℃)的方式模擬在混凝土剛模板外部黏貼厚度1cm工業(yè)毛氈保溫的作用效果。

2.4 管體混凝土力學(xué)參數(shù)

穿渠倒虹吸大體積水工混凝土水化熱、絕熱溫升、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)隨著混凝土齡期的變化趨勢(shì)規(guī)律采用復(fù)合指數(shù)公式予以體現(xiàn)[3]。其中,大體積混凝土在特定齡期的累計(jì)水化熱為齡期的冪函數(shù);混凝土在某個(gè)齡期的絕熱溫升主要與混凝土膠凝材料使用量、混凝土比熱容和混凝土密度等有關(guān);具體齡期時(shí)的混凝土彈性模量則是齡期28d混凝土彈性模量的冪函數(shù)[4]。

在計(jì)算大體積混凝土應(yīng)力場(chǎng)時(shí),可將混凝土徐變作用簡(jiǎn)化為常規(guī)算法所得出的溫度應(yīng)力與應(yīng)力松弛系數(shù)的乘積。應(yīng)力松弛系數(shù)按照表2規(guī)定取值。

表2 應(yīng)力松弛系數(shù)取值

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 混凝土入倉(cāng)溫度

穿渠倒虹吸結(jié)構(gòu)物混凝土溫度變化受混凝土入倉(cāng)溫度的影響較大,通過入倉(cāng)溫度的控制加強(qiáng)施工期溫控防裂。為此,必須設(shè)計(jì)出不同的入倉(cāng)溫度,分析其對(duì)倒虹吸施工期混凝土溫度及應(yīng)力的影響規(guī)律。在倒虹吸管身段長(zhǎng)度向正中央部位設(shè)置特征位置,特征點(diǎn)高度位于底板和邊墻分倉(cāng)面0.2m處。特征位置水平拉應(yīng)力變化值見表3。根據(jù)表中結(jié)果,特征位置水平拉應(yīng)力隨著混凝土齡期的延長(zhǎng)及入倉(cāng)溫度的升高,均呈增大趨勢(shì);當(dāng)混凝土入倉(cāng)溫度在26℃及以下時(shí)不同齡期混凝土水平向拉應(yīng)力值均位于《水工混凝土施工規(guī)范》所規(guī)定的限值以內(nèi),故該穿渠倒虹吸結(jié)構(gòu)物混凝土入倉(cāng)溫度≥26℃,以降低水工混凝土發(fā)生溫度裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

表3 特征位置水平拉應(yīng)力 MPa

3.2 表面保溫措施

在水化熱的作用下澆筑完成的混凝土內(nèi)部溫度快速升高。當(dāng)施工期間溫度較低或溫度變化幅度大,則混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布不均勻引發(fā)的溫度應(yīng)力必將加速溫度裂縫的出現(xiàn)。為研究保溫措施對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的影響,設(shè)置出不同的表面放熱系數(shù),以模擬無(wú)風(fēng)不保溫、二級(jí)風(fēng)不保溫、五級(jí)風(fēng)不保溫以及棉被保溫、紙板保溫等不同情況下混凝土應(yīng)力變化趨勢(shì)。不同保溫狀態(tài)下特征位置水平拉應(yīng)力模擬結(jié)果見表4。無(wú)論是否采取保溫措施,混凝土澆筑施工期后期拉應(yīng)力呈減小趨勢(shì);但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),拉應(yīng)力呈先增后降的變化趨勢(shì):在養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到25d時(shí)迎來拉應(yīng)力增長(zhǎng)峰值,在25～40d期間拉應(yīng)力下降,此后則緩慢升高。在棉被保溫的情況下,應(yīng)力變化曲線最為緩和,為此筆者建議,應(yīng)當(dāng)采用棉被覆蓋保溫與混凝土內(nèi)部冷卻水管配合的降溫措施,避免以內(nèi)外溫差過大而加速溫度裂縫的出現(xiàn)[5-7]。

表4 不同保溫狀態(tài)特征位置水平拉應(yīng)力 MPa

3.3 澆筑季節(jié)

施工季節(jié)及環(huán)境溫度也是影響混凝土溫度裂縫的重要方面,選擇不同的澆筑施工季節(jié)會(huì)導(dǎo)致混凝土澆筑期內(nèi)經(jīng)歷不同的氣溫變化,進(jìn)而引起混凝土水平拉應(yīng)力的變化。不同澆筑季節(jié)特征位置水平拉應(yīng)力取值見表5,分別以4月10日、7月2日、10月25日和1月5日代表春夏秋冬4個(gè)季節(jié)。根據(jù)表中結(jié)果,1月5日(冬季)澆筑混凝土施工時(shí)特征位置水平拉應(yīng)力最小,而7月2日(夏季)澆筑混凝土施工時(shí)特征位置水平拉應(yīng)力最大;春季和秋季是加強(qiáng)混凝土溫度裂縫控制的較好時(shí)機(jī);避開冬季,在春秋季施工期間,采取表面保溫和內(nèi)部冷卻相結(jié)合的溫控措施,減小混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差,可起到有效的混凝土水平拉應(yīng)力水平控制效果;在冬季溫控較好的基礎(chǔ)上,進(jìn)入夏季環(huán)境溫度升高后,混凝土則主要表現(xiàn)出受壓應(yīng)力,出現(xiàn)溫度裂縫的可能性大大增加。

表5 不同澆筑季節(jié)特征位置水平拉應(yīng)力 MPa

3.4 裂縫的演化規(guī)律

為驗(yàn)證文章所得出的穿渠倒虹吸大體積混凝土溫控防裂措施的有效性,通過三維配筋混凝土實(shí)體單元展開工程倒虹吸管體實(shí)際運(yùn)行情況模擬,并采用改進(jìn)后的Wliiiam Warnke五參數(shù)破壞面開裂準(zhǔn)則及混凝土彈塑性本構(gòu)關(guān)系,展開不同工況下裂縫演變趨勢(shì)規(guī)律分析。根據(jù)分析結(jié)果,在受到工況1溫度荷載作用后,穿渠倒虹吸管體在溫度荷載達(dá)到20%時(shí),管段中墻中線和頂板中線交匯處出現(xiàn)首道裂縫,分析原因發(fā)現(xiàn),管段中墻上部混凝土體積過大,內(nèi)部熱量無(wú)法順利散出;上部頂板及箱形孔表面和外界接觸,溫度散失快,故混凝土內(nèi)部出現(xiàn)較大溫度梯度和拉應(yīng)力。這種溫度梯度及拉應(yīng)力均隨水化熱的持續(xù)增加而增大,最終引發(fā)裂縫從初始出現(xiàn)位置開始,逐漸貫穿整個(gè)倒虹吸箱涵結(jié)構(gòu)。

在受到工況2溫度荷載作用后,穿渠倒虹吸管段混凝土養(yǎng)護(hù)的中后期僅底板處出現(xiàn)微小裂縫,其余部位均無(wú)裂縫出現(xiàn),分析原因發(fā)現(xiàn),倒虹吸底部為剛性約束條件,管體和墊層間屬于彈性接觸和柔性邊界,發(fā)生裂縫的概率較小。

通過以上對(duì)該導(dǎo)托渠改擴(kuò)建渠道倒虹吸管體在不同工況下裂縫演變趨勢(shì)規(guī)律的模擬分析,驗(yàn)證了文章所實(shí)施溫控防裂措施的有效性。

4 結(jié) 論

綜上所述,混凝土入倉(cāng)溫度、保溫措施及澆筑季節(jié)等均對(duì)穿渠倒虹吸水工建筑物大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生有較大影響,通過文章分析得知,將施工時(shí)混凝土入倉(cāng)溫度分別控制在20～26℃之間,避開冬季并選擇春季或秋季氣溫較低環(huán)境澆筑混凝土并采取外部覆蓋保溫、內(nèi)部通水冷卻的組合溫控措施等,均能較好地起到混凝土溫控防裂效果。本工程將穿渠倒虹吸混凝土澆筑施工期安排在4月份進(jìn)行,并采取外部覆蓋保溫板+內(nèi)部敷設(shè)冷卻水管的組合溫控措施,工后檢測(cè)結(jié)果顯示,倒虹吸大體積混凝土僅出現(xiàn)個(gè)別微小裂縫,溫控防裂效果較好。