超长混凝土结构在船坞工程中的应用

周 科， 何 源， 马永平， 黄海云， 李 坤

(1.中船第九设计研究院工程有限公司， 上海 200063； 2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心， 上海 200063)



超长混凝土结构在船坞工程中的应用

周 科1,2， 何 源1,2， 马永平1,2， 黄海云1,2， 李 坤1,2

(1.中船第九设计研究院工程有限公司， 上海 200063； 2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心， 上海 200063)

结合东南亚某大型船坞工程，针对两坞并排建设的工程条件，运用ANSYS有限元软件分析超长混凝土结构的温度应力，通过加配温度应力钢筋和设置后浇带等合理方式应对温度应力问题，最终于该船坞坞口建设中成功运用205 m长的超长混凝土结构。研究结论可作为今后类似大型船坞工程参考。

大型船坞；坞口；超长混凝土结构；温度应力；ANSYS

0 前言

随着海洋运输与海洋油气开发需求的剧增，现代船舶及海工装备日趋大型化，修造船坞的三维尺度也日趋增长。大型船坞工程中，坞口一般包括了坞口底板、坞墩及水泵房等结构。由于坞口结构需要保证自身具有整体抗浮稳定性，同时考虑其水密性以及结构的耐久性要求，通常把这几个部分连接在一起，形成船坞坞口结构中常见的“U”形不设缝现浇整体钢筋混凝土结构。中船九院设计研究院工程有限公司设计的上海长兴造船基地[1]、广州龙穴造船基地与天津临港造修船基地，其单坞宽度都已超过100 m，其坞口整体无缝结构长度达130 m左右。

对于两坞并排建造的情况，国内以往相似工程多采取各坞口单独形成“U”形结构，而不是将两坞的坞口连成一字形整体。这样做的目的是避免出现超200 m长的超长结构而导致混凝土开裂、脱落等问题。但是，两坞分开建设后，为减小两坞中间坞墙的间距，泵房位置必须从坞口前沿线后移，易造成工程造价高、工期长以及船坞廊道范围缩短等诸多弊端。

本文主要介绍在东南亚某国的船坞工程建设中，针对当地地处热带、四季温差小的特点，设计时创新性地将两坞坞口、泵房结构无缝连接成总长为205 m的整体超长结构，并成功地解决了超长混凝土结构抗裂问题。仅此一项就节省船坞工程投资1 000万元以上人民币。

1 工程概况

本工程总计建设4座大型船坞供30×104t大型船舶及海工产品修理时使用。其中3#、4#坞并排建设，两坞尺度分别为350 m×66 m×13.5 m，360 m×89 m×13.5 m。两坞坞室宽分别为89 m和66 m，两座独立坞墩宽各为12.5 m，中间共用水泵房宽度为25 m，坞口结构总长度达到205 m，各单体均为现浇钢筋混凝土结构，如图1所示。

图1 坞口平面布置图

2 研究要点

在一般的现浇混凝土结构中，为抵抗不均匀的沉降及伸缩变形，均采取间隔一定结构长度设置伸缩缝的方法。《干船坞设计规范》CB/T 8524-2011规定，干船坞结构的分缝宜为15～40 m。超过规范限制的结构均为超长结构。205 m的坞口结构若采用无缝浇筑显然远超规范要求，而制约超长结构运用的主要因素则是温差引起的混凝土内部温度应力导致混凝土开裂。

本工程各表面均处于近似的外界环境中，各表面无较大温差；结构超长部分主要为坞口底板，属于薄壁结构，后期亦不存在较大的内外温差；结构主要承受温度效应为季节变化引起的均匀温差和均匀收缩。从控制裂缝的角度，一些结构产生表面裂缝，危害性较小，主要是防止贯穿裂缝，须将研究重点放在外约束上。因此，初步确定控制裂缝的两个主要方法：首先，增加配筋以抵抗降温产生的收缩应力；其次，布设后浇带[2]以释放初期温度应力。

3 抗温度裂缝配筋研究

我国水运工程规范中缺少对抗温度裂缝配筋的规定。可参考英国挡水混凝土结构规范(BS 8007)中的方法计算温度裂缝配筋。BS 8007中考虑极限平衡，其主要思想是：通过控制表层钢筋面积，保证在最大温差时，出现最大裂缝仍然能够满足规范要求。

混凝土最大温度裂缝可表示为

温度裂缝配筋间距可表示为

式中：φ为钢筋直径，结合结构受力分析的结果，使用φ=25mm钢筋；h1为上下表面都配筋取构件高度的一半，构件高度超过500mm，取500mm(h1=250mm)；fct/fb为混凝土抗拉强度设计值与钢筋和混凝接触强度之比，取0.5；α为混凝土线膨胀系数，1.0×10-5；T1为施工期内部水合热与外界环境之间的温差，取20℃；T2为季节温差，取8℃；Wmax为结构裂缝控制宽度，根据英标取0.1mm；T1，T2均根据当地规范的建议取值。

Spacing=220mm

根据计算结果，本工程中坞口所有结构，增加配筋φ25@200。

4 设置后浇带

4.1 计算模型

采用配筋以对抗混凝土内部的温度应力，可以简单理解为对温度应力采取“堵”的方式。而所谓“疏堵结合”，也可以对其采用“疏”的方式，对早期由于水合热导致的温度应力进行疏导，以期使其产生的温度应力在使用期不再残留于结构内部。这种方式的主要实施方式是布设一定数量的后浇带。本文通过采用通用结构软件ANSYS14.0进行温度应力的有限元分析，确定后浇带的设置位置和闭合时间，以达到对结构温度应力状态的较好改善。图2为计算模型示意图。

图2 计算模型图

计算模型中，坞墩、坞口底板和泵房均采用实体建模，计算单元采用Solid95，桩基简化为底板上的约束点。

结构所采用混凝土均为C40标号，考虑配筋率的影响其弹性模量设定为3.35×104MPa，泊松比取0.2，混凝土线膨胀系数为1.0×10-5。

4.2 计算温差

引起温度应力的温差主要是季节温差、骤然温差、日照温差等，坞口结构由于长期处于海水环境中，对其影响最大的主要是季节温差。另外，在运用有限元模型计算温度应力时，混凝土自身收缩及徐变等特性对应力的影响也等效为一定的温差，称之为当量温差。综上所述，计算中的温差值包括了季节温差、收缩当量温差以及徐变效应的影响。

(1) 季节温差。季节温差是混凝土结构物由于年温差变化所引起的结构物温度变化。因其是长期的缓慢作用，会使得结构物整体发生均匀的温度变化。根据项目所在地全年的气温统计取ΔTc=Tmin-Tmax= -8 ℃。

(2) 收缩当量温差。混凝土浇注初期饱含水分，之后在空气中逐渐硬化，水分散发，体积发生收缩。收缩是混凝土材料的固有特性，也是引起其开裂的主要原因之一，在分析结构的温度应力时必须加以考虑，由于直接量化分析混凝土收缩引起的效应并不容易，因此，通常将其等效为降温温差ΔTs，即收缩当量温差。

式中：εy(∞)为标准状态混凝土的最终收缩应变，取3.24×10-4；εy(t)为标准状态混凝土龄期为t时，混凝土的收缩应变；α为混凝土线膨胀系数。

根据王铁梦所著《工程结构裂缝控制》[3]一书，推荐εy(t)的计算方法为

式中：b为经验系数，一般取0.01；M1～Mn为具体工程中混凝土材料组成、环境湿度、养护条件、配筋率等在非标准状态下的修正系数，均按一般的情况取值M1M2…Mn≈1。

显然，在本工程中如果不设置后浇带，混凝土从浇筑后开始收缩，仅按标准状态考虑，ΔTs=-32.4 ℃，该温差远大于季节变化的温差效应，对于混凝土裂缝的影响较大，必须采取相应措施以减小该温差值。

坞口施工时，对坞口底板由表及里均匀选取了10个测量点，对其在浇筑过程中的温度作实时监控。最终测量结果为：混凝土初始最高平均温度为60 ℃左右。该温度与常温的温差约为30 ℃。测量结果表明，设计中所取的收缩当量温差计算值是较为合理的。

(3) 徐变效应对温差的影响。大体积水工结构中，徐变的出现使混凝土温度应力降低(即松弛)，减小了结构的收缩裂缝。目前还没有关于混凝土徐变特性的完整理论，国内使用较多的方法是《工程结构裂缝控制》中推荐的方法，即根据温差变化快慢程度，直接取应力松弛系数0.3～0.5。本工程中，考虑当地温度变化不大的特点，取应力松弛系数0.4。

综上所述，在不设置后浇带的情况下最终的计算温差[4]为

ΔT=(ΔTs+ΔTc)×0.4=-16.2 ℃

(4) 后浇带的设置及其对计算温差的影响。本工程中后浇带大致为20～30 m间距布设一档，同时根据本次有限元计算的结果调整其位置使其布设于温度应力较大的位置。根据计算公式，后浇带的闭合时间越长，收缩当量温差越小。极端地考虑，如果在浇筑1年以后封闭后浇带，则收缩当量温差将接近0 ℃。但是，这样将对工期造成较大影响，并不合理。设计中考虑闭合时间为60天。此时：

ΔTs=-17.5 ℃

ΔT=(ΔTs+ΔTc)×0.4=-10.2 ℃

4.3 计算结果

本次数值计算的主要目的是分析后浇带的设置对结构应力的改善所起的作用，因此计算结果主要截取有无后浇带两种工况下超长结构的温度应力和变形。图3为不设置后浇带坞口结构温度应力，图4为设置后浇带后坞口结构温度应力。

图3 不设置后浇带坞口结构温度应力

图4 设置后浇带坞口结构温度应力

4.4 计算结果分析

(1) 如果不设置后浇带，坞口整体结构的混凝土最大主拉应力达到2.21MPa，超过了混凝土的许用应力极限。设置后浇带，混凝土最大主拉应力值为1.3MPa，符合C40混凝土抗拉强度要求。计算结果表明，设置后浇带可以有效减小混凝土的温度应力，本工程中运用该方法控制温度裂缝产生是合理有效的。

(2) 计算结果表明，泵房部位的温度应力明显小于坞墩，可见，三维实体的大体积混凝土受温度应力影响更大。因此，本工程的设计中考虑后浇带布设于邻近泵房、坞墩等大体积墩体结构的位置。

(3) 温度应力的大小与结构约束的设置有关，最大应力均出现在因约束而限制变形的结构位置。计算中由于结构底部由桩基支撑，因此在底板上设置了相应约束，而最小位移和最大温度应力值均出现在这一区域。本工程坞口结构桩基设计中尽量使得桩基均匀分布以避免因刚度差异出现局部温度应力集中而产生裂缝。

目前，项目已经建成，并顺利运营2年多时间。坞口部位未观测到明显裂缝以及渗漏情况。运用合理配筋结合设置后浇带的方法在本工程超长结构的裂缝控制中效果显著。图5为坞口超长结构浇筑完成照片。

图5 坞口超长结构浇筑完成照片

5 结论

在本工程坞口结构的设计中，根据当地地处热带、四季温差小的特点，因地制宜，突破规范限制，创新性地将两坞坞口、泵房结构无缝连接成总长205m的整体超长结构。对控制超长混凝土结构温度裂缝的方法进行了研究，得到以下解决坞口超长混凝土结构温度裂缝问题的方法。

(1) 混凝土结构中加配抗温度裂缝钢筋可以有效防止温度裂缝的产生。

(2) 设置后浇带可以有效减小混凝土的温度应力，进而防止收缩应力超过混凝土抗裂强度引起的裂缝。

(3) 超长混凝土结构中后浇带宜布设于邻近泵房、坞墩等大体积墩体结构的位置。坞口超长结构如果采用桩基结构形式，则桩基应尽可能均匀布置。

本文的研究结论都成功应用于实际船坞工程建设中。在如本文所述的工程条件下运用超长混凝土结构建设船坞坞口，成功解决了船坞建设用地局限以及超长混凝土结构裂缝问题，为工程节省大量的资金和工期，也可为今后类似大型船坞坞口建设提供很好的参考方法。

[1] 李小军，顾倩燕. 中船长兴造船基地水工构筑物设计关键技术[J]. 水运工程，2009，B08: 43-49.

[2] 周光明. 混凝土后浇带的处理方法[J]. 建筑技术, 1990，4: 21.

[3] 王铁梦. 工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[4] NEVILLE A M，DILGER W H, BROOKS J J. Creep of plain and structural concrete [M]. Construction Presses, New York， 1983.

Application of Super-Long Concrete Structure in Dry DockConstruction

ZHOU Ke1,2, HE Yuan1,2, MA Yongping1,2, Huang Haiyun1,2, LI Kun1,2

(1.CSSC China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd., Shanghai 200063, China;2.Shanghai Research Centre of Ocean & Shipbuilding Maritime Engineering, Shanghai 200063, China)

There are two dry docks constructed side by side simultaneously in a particular large-scale dry dock construction project at Southeast Asia. ANSYS FEM software is applied to analyze for this super-long concrete structure to solve the temperature stress problems. Based on analysis results, some reasonable measures such as installing additional reinforcement bars and setting post-casting band are suggested to reduce the temperature stress. The dock entrance structure of 205 m length is constructed successfully. The result of this research can provides reference for future similar engineering structure design.

large-scale dry dock; dock entrance; super-long concrete structure; temperature stress; ANSYS

周 科(1982-)，男，工程师，主要从事船坞、船台、滑道等水工建筑物工程设计

1000-3878(2017)03-0015-05

U673

A