混凝土闸墩分层浇筑时间间隔的优化控制

张杰 孙明明

摘要：在大体积混凝土分层浇筑过程中，浇筑间隔是控制混凝土温度裂缝产生的一个重要因素。针对混凝土闸墩分层浇筑时间间隔问题，通过对分层浇筑施工过程中闸墩温度应力进行分析，阐述了分层浇筑对闸墩应力的影响，并结合实例提出控制浇筑时间间隔、优化工程施工的方法。结果表明：该闸墩工程一、二期混凝土浇筑时间间隔为12 d时温度应力和保证系数均达到最佳值。以闸墩表面温度应力为控制指标，选取合理的间隔时间，不仅能降低表面温度应力、避免温度裂缝的出现，而且还可以加快施工进度、缩短施工周期。

关键词：分层浇筑；闸墩；时间间隔；优化控制

中图分类号：TV544+.91 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.029

闸墩是水工建筑物的关键部位。水工混凝土闸墩结构体积较大，浇筑后水泥的早期水化热将导致其内部温度在施工期显著升高[1]，且混凝土浇筑在基岩上，因温度变形受到约束而产生温度应力，当温度应力超过混凝土的极限抗拉强度时，将产生温度裂缝。为防止闸墩温度裂缝的产生，实际工程中多采用选择合适的原材料、优化混凝土配合比、降低浇筑温度、通冷却水及混凝土浇筑分缝分块方式[2]。由于混凝土闸墩浇筑体积大，属于高层水工建筑物，因此施工过程中多进行分层浇筑。分层浇筑不仅可防止因水化热散发不出而引起的裂缝，而且可减少混凝土的一次浇筑量，易组织施工[3]。大体积混凝土分层浇筑时间间隔一般为7～20d，时间间隔过短时，老混凝土未达到一定强度，影响结构性能；时间间隔过长时，老混凝土散热基本结束，使得老混凝土对新混凝土约束作用增强，产生较大的温度应力。笔者以某混凝土水闸闸墩为例，以闸墩侧面温度应力为控制指标，控制合理的浇筑时间间隔和浇筑温度，在保证闸墩结构安全的同时，缩短施工周期。

1 分层浇筑混凝土温度场计算理论

对于进行分层或跳仓浇筑的水工大体积混凝土，设第i层混凝土的浇筑范围为Ri（i=1，2，…，N；N为浇筑层数），则第i层混凝土热传导方程为[4]式中：T为混凝土温度；x、y、z为混凝土三维坐标；λ为混凝土导热系数；c为混凝土比热；ρ为材料密度；θi

在运用ANSYS软件进行模拟时，可以通过生死单元功能来实现混凝土的分层浇筑，当浇筑第i层时，可通过ekill命令杀死i+1层到第N层混凝土单元，然后根据混凝土浇筑顺序依次激活（ealive）下层单元，实现混凝土分层浇筑的温度场模拟。

大体积水工混凝土浇筑过程中，混凝土内部水化熱集中，温度较高，外表面因与环境进行热交换而温度较低，内部混凝土膨胀产生压应力，外部则产生拉应力。混凝土因温度变化而产生线应变，由应变求出混凝土变形，从而得到节点位移，通过节点位移求得混凝土的温度应力σ。

2 实例分析

2.1 工程概况

河南省某水库加固时对溢洪道闸门进行了整体改造，其底板结构为实用堰型，闸墩改造采用分层浇筑方法，其体积为2.5m×18.0m×23.0m，完成浇筑后做好后期养护。该工程共有闸墩6座，本次以中四墩为例进行，中四墩浇筑时间选在春季3-4月，分3层浇筑，浇筑情况见表1。

2.2 计算参数选取

（1）热学参数。闸墩混凝土强度等级为C25，其配合比见表2。根据试验资料，并参考相关研究成果，混凝土导热系数为275.5 kJ/（m·d·℃），密度为2415.8kg/m3，比热为0.91kJ/（kg·℃），放热系数为1514kJ/（m2·d·℃）。闸墩基岩的导热系数为296.5kJ/（m·d·℃），比热为0.92kJ/（kg·℃），密度为2600kg/m3，放热系数为1514kJ/（m2·d·℃）。

（2）力学参数。混凝土浇筑前期，抗拉强度随龄期逐渐变化，混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度，根据经验，可表示为

Rt=0.232Rc2/3（6）式中：Rt为混凝土的抗拉强度；Rc为混凝土的抗压强度。

Rc（τ）=Rc28[1+mln（τ/28）]（7）式中：Rc（τ）为龄期τ的混凝土抗压强度；Rc28为28d龄期混凝土的抗压强度；τ为混凝土龄期，d；m为系数，与水泥品种有关，矿渣硅酸盐水泥m=0.2471，普通硅酸盐水泥m=0.1727，普通硅酸盐水泥掺60%粉煤灰m=0.3817。

2.3 模型建立

运用ANSYS有限元分析软件建模计算时考虑下部基岩的影响，以及温度场计算的合理性和计算时间的要求，兼顾闸墩结构和基岩的尺寸，本文中取基岩对应于闸墩的上下左右方向为2倍的墩厚。混凝土浇筑后在顶板的表面覆盖塑料薄膜和两层湿草帘。钢模板表面覆盖一层薄膜和两层草帘进行保温养护。四周边界设为绝热边界条件，混凝土表面养护材料与空气接触形成热对流边界。四周通过钢模板和空气进行热交换，近似处理为第三类边界条件。

为了确保仿真模拟的精确性，采用六面体单元并尽可能对称划分。混凝土和基岩温度场分析时采用ANSYS热分析单元中的SOLID70单元，该单元有x、y、z三个方向的热传导功能，共有8个温度自由度，可用于稳态和瞬态的结构热分析。温度应力分析时将SOLID70温度单元转换为与之对应的 SOLID45结构单元[5]，将温度荷载施加于结构单元，实现两者的耦合分析。施加约束和边界条件后，赋予混凝土和基岩材料热传导属性，然后划分网格进行温度应力模拟分析。

2.4 原浇筑方案应力分析

由工程安排可知，中四墩分层浇筑过程中，第一、二层浇筑时间间隔为12d，浇筑第三层时为保证前两层混凝土充分散热与第二层间隔时间为27d。该闸墩浇筑时间在春季3-4月，水库环境状况良好，温差变化幅度小。因闸墩在顺水流向（y坐标轴方向）的尺度远远大于闸墩横向的尺度，故拉应力σ，是引起开裂的主要原因。因此，重点分析y向的应力变化情况。为保证模拟分析的准确性，环境温度采用当地实际温度。

由图1可以看出，在二期混凝土浇筑后12d内，一期混凝土和二期混凝土侧面温度应力均达到峰值，分别为2.24mPa和2.59MPa。原因是，浇筑当天一期混凝土接触面中心点温度及内部中心点温度均远高于二期混凝土浇筑温度（8℃），导致一期和二期混凝土产生较大温差，温度梯度不均匀，从而产生较大温度应力。三期混凝土在浇筑后9d内温度应力上升，并达到峰值，原因是三期混凝土与二期混凝土浇筑间隔时间为27d，间隔时间长虽然保证了二期混凝土散热完成，避免了二期混凝土在三期混凝土浇筑时温度应力增加的情况，但是增大了“老混凝土”对新浇筑混凝土的约束力，使得混凝土内部产生了更多的温度裂缝。为此，中四墩在实际施工中为降低温度应力、减少温度裂缝的产生，在闸墩中采取了预留后浇带的保障措施。由以上分析可知，后期混凝土浇筑温度和浇筑时间间隔是影响分层浇筑混凝土温度应力的重要因素。

2.5 新老混凝土相互影响

（1）温度应力影响。仅考虑前两期混凝土浇筑，一期混凝土不同位置温度变化见图2。从图2可以看出，二期混凝土浇筑前，一期混凝土上表面中心点温度高于侧面中心点温度，原因是上表面面积小于侧表面面积，热量扩散速度慢，且距离混凝土中心点距离短，温度偏高；二期混凝土浇筑后7d内，一期混凝土上表面中心点温度与侧面中心点温度差值较大，上表面中心点温度高于内部中心点温度，原因是上表面作为两期混凝土的接触面，只有温度传导，没有热量扩散，而且距离二期混凝土更近，接受二期混凝土传递的热量更多，温度偏高。在第14天二期混凝土浇筑时，一期混凝土上表面和侧面温度均出现短暂上升情况，原因是二期混凝土浇筑前期，大量水化热传导到一期混凝土，造成其温度上升。一期混凝土内部中心点温度上升不明显，变化趋势基本未改变，原因是其在混凝土内部，受二期混凝土影响较小，温度变化不明显。

一期混凝土侧面和上表面温度应力变化见图3。从图3可以看出，在二期混凝土浇筑时，一期混凝土上表面和侧面温度应力均出现下降情况，侧面温度应力从1.83mPa下降到1.40mPa，上表面温度应力从0.42MPa下降到0.27mPa，原因是二期混凝土浇筑时减小了一期混凝土内外温差。之后由于一期混凝土水化热基本进行完毕，而二期混凝土水化热增加，因此一期混凝土和二期混凝土温差增大，温度应力增大，最后慢慢趋向残余应力。一期混凝土侧面温度受环境温度影响大，波动剧烈，温度应力变化频繁。

由以上分析可知，新混凝土浇筑时能够减小老混凝土温度应力，分层浇筑时可选择在老混凝土温度应力超过允许值或达到最大值时浇筑后期混凝土，以减小危险温度应力或将该应力延后。

（2）浇筑温度对应力的影响。新混凝土的浇筑温度在初始阶段是影响老混凝土温度的重要因素，新混凝土不同浇筑温度造成的温度梯度不同，温度应力相应也不同。图4是二期混凝土浇筑温度分别为8、20、30℃时一期混凝土侧面温度应力变化情况。从图4可以看出，在二期混凝土按不同温度浇筑后，一期混凝土侧面温度应力变化趋势一致，并且呈现明显的规律性，二期混凝土浇筑温度越高，一期混凝土温度应力越小。原因是浇筑温度低，自身热量少，二期混凝土水化热量累积少，传递给一期混凝土的热量就少，一期和二期混凝土温差就增大，温度应力就增大。因此，在二期混凝土浇筑温度选择上，在满足工程施工要求的情况下，可尽量选择较高的浇筑温度。

3 分层浇筑优化控制

3.1 一期混凝土浇筑

一期混凝土单独浇筑时侧面温度应力见图5。由图5可以看出，在早期升温阶段，侧表面点受到高温区混凝土的膨胀作用而受拉，10d龄期内拉应力快速增大，13d龄期后内部混凝土温度下降，内表温差降低导致温度应力减小，之后受环境温度的影响其侧面存在波动残余应力。闸墩侧面拉应力均未超过该龄期混凝土允许拉应力，在7～13d龄期闸墩拉应力达到峰值，已接近允许拉应力，二期混凝土浇筑可选择在7-13d龄期内进行。

由上述分析可知：二期混凝土的浇筑可使闸墩一期混凝土外表面拉应力减小，可选择在其拉应力达到最大值时浇筑二期混凝土，以降低工程危险性。13d龄期时一期混凝土侧面拉应力达到最大值1.83MPa，且14～18d外界环境温度分别为8.5、9.5、8.0、8.5、11.0℃，温度变化幅度小[6]，同时13d龄期后一期混凝土的强度也满足工程要求，因此二期混凝土浇筑可选择在一期第13d龄期进行。13d龄期时，一期混凝土表面温度为23℃，中心点温度约为30℃，二期混凝土浇筑时，浇筑温度过低会增加一期混凝土温度应力，为减小新老混凝土之间的温度差，缩小温度梯度，取一期混凝土中心点温度30℃为二期混凝土浇筑温度。

3.2 優化方案二期混凝土浇筑

由于一期混凝土侧面温度应力明显大于上表面温度应力，因此应力防控可仅考虑侧面温度应力控制。由图6可以看出，13d龄期浇筑二期混凝土时，一期混凝土侧面温度应力由1.83MPa降低到1.25MPa，15～17d龄期内由于二期混凝土水化热的产生，因此其温度应力达到峰值，为1.88MPa，但此时混凝土允许抗拉强度也随之增加，3d峰值保证系数分别为1.28、1.24、1.27，均大于一期混凝土13d龄期时的保证系数（1.23）。说明选择在13d龄期时浇筑二期混凝土是合理的。

二期混凝土侧面中心点温度应力变化见图7。从图7可以看出，25d龄期时二期混凝土侧面温度应力达到最大值（1.88MPa）。二期混凝土侧面拉应力虽均大于混凝土允许抗拉强度，但在25d龄期时即拉应力达到最大值时，其已接近允许抗拉强度，保证系数为1.2，是龄期内最小值，且26～31d龄期环境温度分别为8.5、10.5、12.0、13.5、14.0、15.0℃，处于升温期，因此选择在25d龄期时浇筑三期混凝土。而此时环境温度为5℃，不适宜选为浇筑温度，因此选取二期混凝土25d龄期时的内部中心点温度32℃为三期混凝土浇筑温度。

3.3 三期混凝土浇筑

从图8可以看出，二期混凝土侧面和上表面温度应力在25d龄期时均大幅度下降，侧面温度应力下降到1.20MPa，25d后侧面和上表面温度应力最大值点的保证系数分别为1.35和1.55，满足结构要求[7]。

浇筑完成后，三期混凝土侧面温度应力在34d龄期时达到最大值（1.9MPa，见图9），小于允许拉应力（2.18MPa），满足结构要求。

4 结果对比

优化方案和原方案各个浇筑期侧面和上表面最大温度应力和保证系数对比见表1。由表1可知：除二期混凝土上表面优化方案的温度应力大于原方案的外，其余5个温度应力均小于原方案的，保证系数除二期上表面的小于原方案的外其余均大于原方案的。优化方案二期混凝土上表面温度应力虽然偏大，但1.55的保证系数完全满足工程需要。

优化方案在50d龄期附近闸墩温度应力达到稳定，原方案浇筑间隔时间大于优化方案，在60d龄期附近闸墩温度应力达到稳定。原方案二期混凝土和三期混凝土浇筑间隔时间较长，虽然便于一期和二期混凝土温度扩散，但是由于下层混凝土温度传导已完成，因此造成浇筑时上下层混凝土温差过大，二期混凝土和三期混凝土侧面温度应力最大值均超过该龄期的允许抗拉强度，易产生温度裂缝。

5 结论

在大体积混凝土分层浇筑过程中，通过模拟下层混凝土浇筑过程中温度和温度应力变化，选择温度应力大于允许抗拉强度或者最大温度应力发生时间为后期混凝土浇筑时间，同时为减小新老混凝土温差，以该龄期下层混凝土中心温度为浇筑温度的优化方案浇筑混凝土，不仅可以减小浇筑时间间隔，缩短工期，而且可以减小温度应力，防止温度裂缝产生，能够满足混凝土施工要求。

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