船闸坞式结构的尺寸和分缝对温度应力的影响

范焱斌，蒋明锋，，陈亚娇，凌 威，周千凯

（1.长沙市湘江综合枢纽开发有限责任公司，长沙410000；2.长沙理工大学，长沙410076）

船闸坞式结构的尺寸和分缝对温度应力的影响

范焱斌1，蒋明锋1，2，陈亚娇2，凌 威2，周千凯2

（1.长沙市湘江综合枢纽开发有限责任公司，长沙410000；2.长沙理工大学，长沙410076）

文章以长沙综合枢纽坞式船闸为例，采用数值分析方法，对坞式船闸闸室的温度应力进行了计算分析。结果表明：岩基上的坞式船闸在施工过程中，船闸的温度应力相对于恒载对结构的影响更大，工程中应给予充分考虑。为减小温度应力对混凝土结构造成的不良影响，文中提出减小闸室底板以及闸首底板厚度，并在闸首底板设置横向结构缝等优化措施，通过优化前后的应力对比，证实以上措施减小了温度应力及恒载应力，效果良好。

岩基；坞室船闸；温度应力；徐变

长沙综合枢纽双线船闸设计吨位2 000 t，闸室有效尺寸280 m×34 m×4.5 m（长×宽×门槛水深），上闸首底槛高程为20.50 m。上闸首结构采用坞式结构设计，闸室第5-11结构段作用在地质条件比较复杂的地基上，该段地基在顺水流方向的地基有不同程度的风化，在垂直水流方向则是由两端地基条件较差的全风化花岗岩和中间中风化岩构成，在该结构段闸室亦采用坞室结构。以长沙综合枢纽船闸上闸首以及闸室坞式结构段为例，对岩基上船闸结构的温度应力进行数值仿真计算分析。

1 基本理论及参数选取

1.1 混凝土温度应力计算理论

热传导建立了物体与时间和空间的关系，但满足热传导方程的解有无限多个，为确定需要的温度场，还必须知道初始条件和边界条件［1］。

混凝土的热传导方程为

式中：T为温度，℃；α为导温系数，m2/h；θ为混凝土的绝热温升，℃；τ为龄期，h。

1.2 考虑徐变的大体积混凝土结构温度应力分析

在高应力水平下，大体积混凝土处于非线性阶段，即热弹塑性阶段。此时大体积混凝土发生非线性变形，应力应变关系表现为非线性［2］。用有限元进行温度应力分析时，需要考虑由于塑性变形对温度应力的影响，再考虑徐变对大体积混凝土温度应力的影响，按照热塑性的形变理论，大体积混凝土的应变增量Δεn包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量和自生体积应变增量。在温度荷载作用下，混凝土在荷载作用下，其应变可以表示为

构造大体积混凝土热弹塑性变形条件下温度应力分析的有限元格式［3］

式中：［Kn］为结构的刚度矩阵；为位移增量为外荷载增量为徐变变形产生的荷载增量。

1.3 参数选取

（1）气温模拟。

由于气温随时间不断变化，文章按气温正弦规律对长沙气温进行拟合［4］，来模拟施工期气温的周期性变化，得到长沙综合枢纽船闸工程船闸底板四月份开始施工大气温度见图1。

（2）混凝土力学和热学性能参数。

混凝土导热系数λ、比热c分别取值10.6 kJ/（h·m· 0.96kJ/（kg·℃），放热系数β根据风速不同取48.9kJ/（m2·h·℃）（风速为0～2 m/s）、80 kJ/（m2·h·℃）（风速为2～5 m/s）、∞（与水流接触），混凝土线膨胀系数α取7.0×10-6/℃［5］。混凝土（C25）的弹性模量公式为

式中：E（τ）为混凝土弹性模量；τ为龄期；EO为τ→∞时的最终弹性模量。

混凝土（C25）的泊松比μ=0.167，密度ρ=2.5×103kg/m3，抗压强度为1.67×106Pa，抗拉强度标准值为1.78×106Pa［6］。

（3）基岩热力学性能参数。

根据地质报告，中风化花岗岩变形模量E=2.0×1010Pa，泊松比μ=0.25，基岩线膨胀系数α值取4.61×10-6/°C。

图1 施工期气温示意图Fig.1 Sketch of temperature during construction period

2 计算与分析

2.1 坞式闸室结构计算结果分析

闸室底板原设计厚度为6 m，施工浇筑过程中，其恒载应力出现2个峰值（0.04 MPa和1.07 MPa），分别于混凝土的膨胀期（浇筑后38 d左右）和收缩期（浇筑后250 d左右）。温度应力的情况与之类似，应力值峰值分别为1.79 MPa和1.47 MPa。闸室底板施工过程中，恒载引起的混凝土最大拉应力均小于温度引起的混凝土最大拉应力，温度应力影响较大，应给予重视。

图2 最高温度历时曲线对比Fig.2 Comparison of maximum temperature duration curves

图3 最大温度应力历时曲线对比Fig.3 Comparison of maximum temperature stress duration curve

计算出的温度应力值超过了混凝土极限拉应力值［7］，底板混凝土浇筑31 d时出现最大拉应力1.79 MPa（图3），不满足规范要求。由于减小混凝土的体积能使其内部温度向大气扩散的距离缩短、速度加快，导致了混凝土的最高温度降低，因此本文提出采用减小闸室底板的优化方案，将底板厚度设计为5 m，并对其温度场及温度应力进行计算。对于2种不同厚度的底板，其内部最高温度对比如图2，优化方案底板内部最高温度为38.2℃，出现在底板开始浇筑后的25 d，与原方案出现在第29 d的最高温度39.3℃相比，板内最高温降低了1.1℃，而且出现的时间也提前了4 d。对底板厚度进行优化以后，其温度应力与原方案相比两峰值都有所减少（图4），减少底板厚度温度应力在第一峰值处降低了0.42 MPa（23.5%），第二峰值处降低了0.12 MPa（8.1%）。优化方案底板的最大应力值为1.37 MPa，小于混凝土的最大抗拉值1.75 MPa，优化效果明显。

2.2 上闸首结构计算分析

在原设计方案中，船闸上闸首底板厚度较大，最大厚度为9.1 m左右，平均厚度达到5.5 m，温度应力问题比较显著。对上闸首结构进行优化，将上游底板平均厚度由6.6 m减至5 m。

（1）减小底板厚度对温度应力的影响分析。如图4所示，优化方案中，在混凝土浇筑初期的40 d左右最高温度达到了39℃，比原方案中最高温度42.7℃有所降低，而且出现的时间提前20 d左右。2种方案中，最大温度应力值均出现在中底板表面中部位置，原方案其值为1.72 MPa，优化方案其值为1.26 MPa。因此，适当减小底板措施的方案优化效果明显。

（2）结构缝对温度应力的影响分析。一般而言，优化混凝土材料以及保温措施能一定程度上减小温度应力，防止温度裂缝的产生［8］，而利用结构缝也是减小温度应力的措施之一。对于上闸首结构，减小底板厚度的措施整体上优化效果良好，但在某些局部范围内优化效果并不明显，因此采用设置结构缝的措施进行进一步优化。船闸上闸首沿垂直水流方向设置一结构缝，结构缝距闸首上游边16 m，宽度为20 mm，以减小底板的恒载应力及温度应力。利用有限元模型模拟闸首底板的施工过程（同样采用分层浇筑施工方法），对底板施工期产生的温度应力和恒载应力进行分析。通过表1的结果对比可知，上闸首结构在设置横向结构缝后，垂直水流方向的最大恒载应力值略有减小，顺水流方向的最大温度应力值也有所减小，说明结构缝起到了减小混凝土拉应力的效果。

图4 混凝土最高温度历时曲线对比Fig.4 Comparison of maximum temperature duration curves

应力方向 结构缝设置 温度应力 恒载拉应力 控制拉应力垂直水流方向 有横向结构缝 1.72 0.06 1.78无横向结构缝 1.72 0.083 1.803顺水流方向 有横向结构缝 1.34 0.10 1.44无横向结构缝 1.68 0.10 1.78

3 结论

本文以长沙综合枢纽坞式船闸为例，对岩基上坞式船闸大体积混凝土结构的施工过程进行仿真计算，并得到以下结论：

（1）在施工过程中温度应力相对恒载影响较大，在施工设计中应给予充分考虑。

（2）对船闸闸室底板进行底板厚度的优化，减小了混凝土的温度应力，优化效果明显。

（3）对船闸上闸首底板进行优化，采用减小底板厚度的措施减小了其温度应力，并设置横向结构缝，同样也减小了某些方向上的温度应力及恒载应力。

［1］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京:中国电力出版社，2003:1-738.

［2］Nobuhiro M，Kazuo U.Nonlinear Stress Analysis of A Massive Concrete Structure［J］.Computers and structures，1987，26:1-2.

［3］朱伯芳.有限单元法原理与应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.

［4］DL5077-1997，水工建筑物荷载设计规范［S］.

［5］191-2008，水工混凝土结构设计规范［S］.

［6］JTS202-1-2010，水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程［S］.

［7］梅甫良，曾德顺.混凝土结构非稳态温度场的新解法［J］.水利学报，2002（9）:9-12. MEI F L，ZENG D S.New method for calculation of transient temperature field in concrete structure［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2002（9）:9-12.

［8］潘家铮，郭之章，傅华.水工建筑物的温度控制［M］.北京:水利电力出版社，1990：1-300.

长江航运技术行业研发中心成立

本刊从长江航务管理局获悉，“长江航运技术行业研发中心”于近日成立。这是交通运输部为完善交通科技创新体系、提升行业科技创新能力而组建的首个行业研发中心。据介绍，该中心成立后，将面向内河航运行业，围绕航道整治与维护、枢纽通航、水上交通安全与防污染以及信息与智能航运等方面开展新技术、新工艺、新材料、新装置的技术研究，强化科技成果向行业工程化应用与产业化推广，提升行业科技含量，在水运资源优势利用、综合运输体系发展、带动流域经济发展、生态环境保护及技术人才培养等方面发挥巨大的社会效益和环境效益。（殷缶，梅深）

珠江上游红水河断航36 a后即将复航

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Influence of size and joint of unitary lock on temperature stress

FAN Yan-bin1，JIANG Ming-feng1，2，CHEN Ya-jiao2，LING Wei2，ZHOU Qian-kai2
（1.Changsha Xiangjiang River Comprehensive Hub Development Co.，Ltd.，Changsha 410000，China；
2.Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China）

Adopting the method of data analysis，the dock structure of Changsha comprehensive hub was taken as an example in this paper，and the temperature stress of the dock chamber was calculated and analyzed. The result shows that during the construction of unitary lock on rock foundation，temperature stress plays a more important role than the constant load on structure，which should be fully considered.In order to reduce the bad effect of temperature stress，the measures of reducing thickness of baseboards on lock chamber and lock head and using the baseboard with horizontal gaps on lock head are put forward.In the contrast experiment，the optimized design is proved to be effective in reducing the temperature stress and constant load stress.

rock foundation；unitary lock；temperature stress；creep

U 641.3；TV 331

A

1005-8443（2012）02-0159-04

2011-11-16；

2011-12-26

范焱斌（1971-），男，湖南省长沙人，高级工程师，主要从事港航工程设计及管理工作。Biography：FAN Yan-bin（1971-），male，senior engineer.