多次寒潮冷击下薄壁闸墩施工期力学特性分析

张社荣，王浏刘，于 茂

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

水工混凝土结构在施工期或运行期内易出现裂缝，如水闸闸墩易在表面产生枣弧形裂缝。对于水工混凝土结构出现裂缝的原因，国内学者主要论证了温度或混凝土收缩等对混凝土应力状态的影响，如朱岳明等[1]结合龙滩重力坝进行了长间歇仓面寒潮冷击下的温度应力计算，表明寒潮冷击易造成坝体劈头缝；张子明等[2]研究了气温骤降引起大体积混凝土温度变化和温度应力的计算方法，分析了气温骤降引起的温度及温度应力变化规律；吉顺文等[3]采用材料力学和有限元数值仿真计算法，对上犹江重力坝溢流坝段闸墩上的竖斜向和水平向裂缝的出现进行了研究，结论表明施工期温度应力和运行期寒潮冷击与夏季低温库水泄洪冷击是其主因。故本文研究多次寒潮冷击下的水闸闸墩混凝土结构的温度及应力变化规律，为水闸结构设计提供相应的依据。

1 计算模型

某水闸为2级建筑物，防潮闸采用深孔与浅孔相结合布置，深孔底板高程-6.0 m，浅孔底板高程-1.0 m。防潮闸单孔净宽15 m，经过流能力计算确定中间8个深孔，两侧各6个浅孔，共计20孔。闸室结构为筏式整体平底板，两孔一联，中墩厚2.0 m，缝墩厚1.5 m。闸室总宽347 m，其中深孔宽137 m，浅孔宽105 m。顺河向深孔长36.0 m，浅孔长29.0 m。闸墩、底板均为C25F150混凝土。施工时，底板混凝土浇筑5天后开始浇筑闸墩。

考虑工程的结构形式和底板的布置特点以及结构的对称性，取典型的闸墩和底板结构进行计算，计算区域如图1所示。地基深度取30 m，上下游各取15 m，且全部采用六面体单元进行建模，共划分单元79320个，节点88712个。取闸墩与底板交接面的上游端头为原点，整体坐标轴选取顺水流方向为x轴，垂直水流方向 （厚度方向）为y轴，竖向为z轴。计算中所采用的材料物理力学参数见表1。

图1 计算区域及结构尺寸（高程单位:m）

基岩初始温度取6.0℃，闸墩、底板混凝土的浇筑温度取6.5℃。混凝土表面裸露 （未保护），相应的混凝土表面放热系数β取83.72 kJ/(m2·h·℃)，混凝土的徐变度为

式中，τ为加载龄期，d；（t-τ）是持载时间，d。

根据水闸附近气象站观测资料，各月的平均气温及年平均气温见表2。为便于计算，对多年月平均气温进行拟合，得到一条余弦曲线:

式中，τ为时间，月；Ta为气温，℃。

2 寒潮冷击下薄壁闸墩的温度场与应力场分析

在施工期内，根据寒潮出现时间、连续出现次数，共拟定模拟8次寒潮冷击，如图2所示。其中，闸墩早期遭遇3次寒潮，分别发生在浇筑后的第9、18、41天，气温分别骤降18、20、18℃；后期连续遭遇5次寒潮，分别发生在浇筑后的第105、110、114、119、122天，气温分别骤降 11、20、15、21、17.5℃。

图2 环境气温变化过程

闸墩内外混凝土温度变化的差异是影响闸墩表面应力水平的关键因素，分析这一变化过程有利于对闸墩表面的应力变化做出判断。图3反映了寒潮冷击下闸墩内部路径及表面路径上不同代表节点的温度随时间的变化过程。闸墩冷击时，闸墩混凝土内部及外部的温度均有不同幅值的降低。在早期，混凝土表面点的温度降幅较大，降幅最大位置在闸墩上部的表面角点处，为18.2℃，该处混凝土两面临空，散热快；闸墩顶部表面点处降幅次之，为14.4℃，此处混凝土单面散热，且与下部混凝土接触面积小，内部混凝土传热量较低；闸墩侧面的表面点的降幅最低，为12.4℃，此处混凝土单面散热，且与内部混凝土接触面积大，内部混凝土传热量较大。在后期，闸墩表面点的温度降幅最大值仍位于闸墩顶部的角点处，最大温度降幅为15.9℃。寒潮冷击下，混凝土内部的温度波动幅度比较小，闸墩中部和底部混凝土内部点的温度最大波动幅度分别为2.9、2.7℃。在施工早期，环境气温处于降温阶段，混凝土内部温度高于表面温度；后期，环境温度处于升温过程，混凝土内部温度低于表面温度。

表1 混凝土及地基物理力学参数

表2 全年气温特征℃

图3 多次寒潮冷击下闸墩温度场变化过程

早期寒潮与后期寒潮冷击下，闸墩混凝土内外温差也表现出不同的波动特点。根据图3a可知，早期寒潮冷击造成的闸墩混凝土的内外温差更大，最大内外温差可达到18℃左右，出现在第1次寒潮发生时。显然，因为混凝土早期水化热产生速率大，处于较快升温阶段，虽然第1次寒潮来临时气温骤降幅度 （18℃）小于第2次骤降幅度 （20℃），但寒潮发生越早，闸墩内外温差越大 （两次寒潮下最大温差分别为18、16℃），温度梯度越大。在后期，虽然有连续5次的寒潮连续冷击闸墩表面，但闸墩内外的温差较前期仍有较大降幅，5次寒潮冷击过程中，最大气温骤降为21℃，但闸墩内外温差最大为9℃左右，其主要原因是该阶段内大气升温，内部混凝土温度低于表面温度，寒潮冷击的效应部分被抵消；且后期闸墩混凝土的水化热速率已经很小了，内部混凝土升温不明显，也会导致闸墩内外温差不大，闸墩内外温度梯降较前期也有明显减小。

多次寒潮冷击下，闸墩典型位置处的应力变化过程如图4所示。在早期，虽然寒潮冷击引起的温度波动很大，但因混凝土弹性模量还不是很大，再加上混凝土徐变等影响，闸墩表面应力的波动幅度并不大，内部混凝土的应力波动更小。前期混凝土的应力波动幅值在0.1 MPa以内。在后期，虽然寒潮冷击时混凝土的温度波动幅值不大，但此时混凝土的弹性模量已经很大。因此，寒潮引发的应力波动幅值反而更大，且表面点的波动幅值大于内部点。闸墩下部与底板交接的角点处的混凝土的应力幅值最大，最大拉应力可以达到0.7 MPa以上，虽然尚未达到混凝土的抗拉强度，但较大的应力波动增大了混凝土的开裂可能性；波动幅值其次为闸墩中部的表面点、闸墩上部的角点及闸墩上部中心点，冷击下拉应力在0.5 MPa以内；闸墩内部混凝土应力也有一定的波动，但波动较小。

3 结 论

图4 不同特性寒潮冷击下闸墩受力变化过程

本文建立水闸闸墩受多次寒潮冷击的模型，通过设定寒潮的出现时间和连续发生次数，分别从温度场与应力场等角度分析闸墩薄壁混凝土结构在环境温度、混凝土水化热、温控措施、混凝土徐变及气温骤降等因素影响下，施工早期与后期寒潮及连续寒潮冷击下闸墩结构的真实受力特性。研究表明，在早期寒潮冷击下，闸墩混凝土温度场波动大，但应力波动小；在后期多次寒潮冷击下，闸墩的温度场波动较小，但应力场波动较大，且在短期内应力幅值频繁波动，开裂可能性大大提高。闸墩应力波动较大位置主要位于闸墩与底板交接的拐角处，寒潮冷击下，拐角处两侧的混凝土均因温度骤降而产生收缩变形，且此处几何突变较大，易产生较大的拉应力。在大坝及泄洪建筑物中，有很多类似于水闸闸墩的薄壁边墙结构在施工期遭遇寒潮，其温度与受力状态具有类似的变化规律，在结构设计中应予以考虑寒潮的影响。

［1］朱岳明，贺金仁，石青春.龙滩大坝仓面长间歇和寒潮冷击的温控防裂分析［J］.水力发电，2003，29（5）:6-9.

［2］张子明,王嘉航,姜冬菊,等.气温骤降时大体积混凝土的温度应力计算［J］.河海大学学报: 自然科学版，2003，31（1）:11-15.

［3］吉顺文，朱岳明，强晟，等.上犹江溢流坝段闸墩裂缝成因和结构安全影响研究［J］.水利学报，2007（S1） :205-209.