闸室大体积混凝土在高温季节浇筑过程的温控模拟和温度应力研究

赖月漂 陆冠臻

船闸温控的重点是低温和高温季节的混凝土浇筑问题，特别是基础约束区部位和表面的温控防裂。因此，必须高度重视大体积混凝土温控防裂问题，解决施工进度与混凝土温度控制措施之间的矛盾。文章依托广西柳江红花水利枢纽二线船闸工程，在高温季节（7月份）浇筑条件下，对施工期的温度场和温度应力场数值进行模拟计算分析，确定出合理的施工方案，以保证施工的顺利进行并加快施工进度。

闸室;大体积混凝土;高温季节浇筑过程;温控模拟;温度应力

0 引言

船闸工程结构为大体积混凝土，为避免大体积混凝土在高温季节浇筑施工中产生过大的温度应力而开裂，在施工过程中应采取温度控制措施及实施温度监测，从而提高船闸质量及结构安全稳定性。船闸温控的重点是高温季节的混凝土浇筑问题，特别是基础约束区部位和表面的温控防裂。本文根据船闸施工期分仓规划、浇筑顺序以及施工进度，模拟大体积混凝土浇筑过程中的各种影响因素，进行混凝土温度场、温度应力和结构应力数值模拟计算，对各种温控措施的效果进行计算，分析不同的浇筑时段、浇筑层厚、间歇期、浇筑温度及温控方式对混凝土最高温度和基础温差应力的影响，得出既满足施工进度又满足温控防裂要求的温控方案。总之，必须高度重视大体积混凝土温控防裂问题，解决施工进度与混凝土温度控制措施之间的矛盾，从而提高工程质量。

1 船闸大体积混凝土温度控制理论

1.1 温度场计算的基本原理

为全面反映温度对船闸结构特性的作用与影响，需要研究闸体施工期的温度场、初期蓄水过程中闸体随气温与水温等因素变化的变化温度场、运行蓄水期的稳定（准稳定）温度场。根据热量平衡原理，导出固体热传导基本方程：

x+（axx）+x（ayTy）+z（azTz）+ωcρ-Tτ=0（1）

式中：a——导温系数;

λ——导热系数;

c——材料比热;

ρ——材料容重;

τ、T——分别描述任意时刻和温度。

1.2 温度应力计算的基本原理

混凝土温度应力分为外部约束引起的应力和闸体内引起的应力。本文主要从混凝土徐变、各阶段应力计算平衡方程、单元应力及应力增力进行分析研究。

（1）外部约束引起的应力：当混凝土与其它物体相连接时，其温度变化引起的体积变形（膨胀或收缩）便不能自由发生，要受到连接物体的限制。

（2）闸体内引起的应力：如果混凝土块的温度变化在截面上的分布是非线性的，即造成混凝土块内部质点体积变形的不协调，相互约束而不能自由发生。

1.3 混凝土应力控制标准

根据混凝土各龄期的弹性模量、相应的极限拉伸值，本文计算了船闸混凝土的允许水平拉应力（或主拉应力），如表1所示。

1.4 混凝土内外温差及允许最高温度

1.4.1 内外温差

为了防止闸体内外温差过大引起混凝土表面產生裂缝，施工中闸体内外温差要求控制在25 ℃。

1.4.2 允许最高温度

混凝土基础约束区允许最高温度取决于稳定温度、基础温差、内外温差和上下层温差等;非约束区最高温度按照低温季节、常温季节、高温季节的平均气温与内外温差之和取值。本文研究允许最高温度控制标准见表2和表3。

2 温控措施与温度应力数值模拟研究

2.1 计算模型及计算方案

2.1.1 计算模型

本文的计算模型采用有限元模型，选用闸室作为数值模拟对象，整个闸室的温度场及应力场三维计算网格立体图如图1～2所示。为简化计算，在计算参数的选取方面，整个闸室均采用同一种混凝土浇筑，即C25常态混凝土。

2.1.2 计算方案

在混凝土浇筑过程中，分为基础强约束区、基础弱约束区及非约束区浇筑层，在不同层厚浇筑情况下进行研究计算。在高温季节（7月份）浇筑时，温控措施研究分为不采取任何温控措施、采取降低混凝土浇筑温度（如采取加冰拌合或风冷骨料等措施）及采取通水冷却等措施组合数值模拟的工况。

2.2 数值模拟研究

选取图3所示的三个典型断面（2#～4#）进行分析，经过数值模拟计算，得到闸室在高温季节浇筑且无任何温控措施条件下温度场与温度应力场包络图。

2.2.1 高温季节（7月份）浇筑温控及温度应力数值模拟

2.2.1.1 选取闸室内部典型特征点

本次研究通过提取闸室内部典型特征点研究高温季节按以下四种工况浇筑混凝土的情况下的温度与应力历程曲线变化，并分析其规律。典型特征点的选取如图4所示。

其中：NO.1为基础强约束区内部典型特征点;NO.2为基础弱约束区内部典型特征点;NO.3为非约束区内部典型特征点。

2.2.1.2 研究的四种工况

（1）不采取任何温控措施工况;

（2）采取控制浇筑温度≤28 ℃，但不采取其他温控措施工况;

（3）采取通水冷却措施工况;

（4）控制浇筑温度与通水冷却相结合工况。

2.2.1.3 高温季节浇筑条件四种工况下的研究结果

（1）基础强约束区内部典型特征点温度历程曲线如图5所示，相应的第一主应力历程曲线如图6所示。

由基础强约束区的温度应力历程曲线可知，基础强约束区的应力最大值发生在浇筑后的低温季节，这是由于高温季节浇筑后混凝土水化生热，当低温季节到来时，该区域的混凝土将遇冷收缩，但是受到地基的强约束作用，温差产生的收缩就会导致较大的拉应力。降低高温季节的浇筑温度可以有效减少这一个温差的影响，从而降低基础强约束区的应力峰值。若在高温季节降低浇筑温度的同时采取通水冷却的措施，可以进一步降低这一温差，从而降低低温季节导致的拉应力。但是由于通水冷却时的混凝土出现了较大的温降速率，通水阶段本身也会出现较大的拉应力，因此需要严格控制通水冷却的流量和通水温度。

（2）基础弱约束区内部典型特征点温度历程曲线如图7所示，相应的第一主应力历程曲线如下页图8所示。

由基础弱约束区的温度应力历程曲线可知，高温季节浇筑的混凝土最大应力仍然出现在浇筑后的低温季节，此时降低浇筑温度仍然可以减小这一应力峰值，但是由于该区域混凝土受到地基的约束作用已经不明显，因此由于通水温降产生的拉应力得到了改善。

（3）非约束区内部典型特征点温度历程曲线如图9所示，相应的第一主应力历程曲线如图10所示。

由非约束区的温度应力历程曲线可知，较高的浇筑温度与低温季节出现的温差依然是导致应力较大的主要原因，此时降低浇筑温度仍然可以减小这一应力峰值，通水冷却仍可以取得较好的效果。

3 建议

（1）由各工况的温度过程曲线与应力过程曲线可知，温度与应力的变化曲线符合基本规律，基础强约束区通过温度控制可以显著降低最高温度与最大应力。高温季节浇筑的混凝土要进行浇筑温度的控制，必要时辅助以通水措施，能取得较好的温控防裂效果，但需防止因降溫过快导致的气温倒灌等现象发生。

（2）根据闸室典型段稳定温度场计算结果，计算船闸施工期温度应力及综合应力，以制定混凝土基础温差控制标准及上下层温差控制标准。若保证混凝土出机口温度与浇筑温度之间相差6 ℃以内，可考虑气温在22 ℃以下无需额外温控措施，但需要注意防范气温骤降的情况。

（3）详细考虑气候条件、混凝土材料的热学力学特性、浇筑温度、浇筑层厚、通水冷却、层间间歇、表面保温条件等一系列因素，进行有限元数值模拟，对船闸浇筑块的温度和应力结果作出综合评价。施工时应避免出现长间歇期浇筑的情况，特别是间歇期超过10 d的情况，以防止新旧混凝土交接面出现大温差以及变形不协调的问题，推荐混凝土浇筑间歇期为7 d。

（4）若为7月浇筑，采取基础强约束区降低浇筑温度与通水冷却结合的方案，可以取得较好的温控防裂效果。

（5）冬季极端气候特别是短时间（2～3 d）气温骤降条件下，混凝土表面温度出现突然降低，温度应力将出现急剧上升。对于低温季节浇筑的早龄期混凝土要及时保温，而对于夏季浇筑的混凝土要进行冬季保温，对输水廊道区域可进行表面保温与廊道出入口临时封闭以减缓空气对流，达到控制温度与应力的目的。

4 结语

本文基于实际工程提出了一些具体的温控措施，但工程实际施工过程会受到多种因素影响，情况十分复杂，还有很多因素考虑不足。比如钢纤维的掺入、采用中低热水泥、船闸诱导缝应该如何布置以及各种保温材料的选取等。

[1]叶国华.港工混凝土结构物的温度应力和温度裂缝的研究[J].水运工程，1996（8）：19-26.

[2]潘家铮.水工建筑物的温度控制[M].北京：水力电力出版社，1990.

[3]王国秉，胡 平.混凝土坝稳定温度场和准稳定温度场的三维有限元分析[J].水利水电技术，1959（1）：29-35.

[4]张松涛，李 民.ANSYS在分析混凝土结构温度场及温度应力中的应用[J].中国水运（理论版），2006（5）：54-56.

[5]刘晓平.坞式闸室结构的温度应力分析[D].南京：河海大学，1989.

[6]JTS 202-1-2010，水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程[S].

[7]于 涛，范双柱.长洲船闸工程基础约束区混凝土高温季节施工温度控制[J].水利水电技术，2007（7）：50-51.