水电站厂房大体积混凝土温度应力分析与防裂措施

付皓杰

摘要：水电站厂房下部为大跨度厚壁空腔混凝土结构，形状复杂，体积庞大，受自身及周围介质温湿度变化的影响，以及基岩的约束作用，不同部位经常出现较大的温度应力，导致混凝土产生裂缝。若混凝土裂缝得不到有效控制，将破坏厂房下部结构整体性，缩短其使用寿命，甚至改变结构受力状态，从而影响建筑物安全。基于此，本文详细探讨了水电站厂房大体积混凝土温度应力及其防裂措施。

关键词：水电站厂房;大体积混凝土;温度应力;防裂措施

由于大体积混凝土具有体积大、混凝土数量大、工程条件复杂、施工工艺要求高等特点，设计及施工中除满足强度、刚度、完整性、耐久性要求外，还必须控制温度变形裂缝，以保证结构的完整性及建筑物的安全。因此，控制温度应力与温度变形裂缝的扩展是大体积混凝土设计及施工中的一个重要课题。

一、大体积混凝土概述

大体积混凝土是指混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂縫产生的混凝土，称之为大体积混凝土。

二、水电站厂房大体积混凝土温度应力计算原理

1、非稳定温度计算原理。在针对混凝土进行计算时，对计算区域内任意一点处进行确定，非稳定温度场在确定过程中，需能满足热传导方程需求，这样才能保证非稳定温度计算的准确性和有效性。

2、水管冷却问题处理。通过相关文献资料中的内容显示，可将冷却水管当作负热源，在此基础上，对其自身水管冷却效果进行考量和分析。同时，根据实际情况的不同，能得出混凝土等效热传导方程，这样有利于对水管冷却问题进行妥善处理。

3、应力场计算原理。混凝土在复杂应力环境下，其自身应变增量包括弹性应变增量、徐变应变增强、温度应变增强等，在计算应力场时，要将这些因素一并融合其中，这样才能保证对应力场计算的有效性。

三、水电站厂房大体积混凝土温度应力计算模型和参数

1、计算模型。将某水电站厂房标准机组段下部混凝土结构作为分析对象。通过对该机组下部结构分析可知，其自身上下游方向长85.4m、宽30m，高33.3m。在实际操作中，通过有限元计算方式进行分析，由此得知，其自身地基在上下游和深度方向各延伸一倍混凝土结构高度。同时，其自身总共设置18个浇筑层，约束区层的厚度大概在1至2m，非约束区层厚度在2至3m左右，每一层内又可根据实际情况具体要求，划分为2至6个浇筑块。

2、边界条件。在针对温度场技术计算时，与其自身相关计算模型中的地基底面及四周侧面都会取为绝热边界，在机组段上的上下游面积，极其它临空面大多数情况下都会将其设置为固体散热边界。另外，根据实际情况，以及该地区平均风速及覆盖保温材料的表面放热系数，可对其进行准确判断。同时，在计算应力场时，其自身地基底面及四周侧面应取为法向约束状态，这样能促使其它临空面处于自由边界状态。

四、水电站厂房大体积混凝土裂缝问题

1、水泥水化热。大体积混凝土内部热量主要从水泥水化中产生，由于大体积混凝土截面厚度大，因此水化热聚集在结构内不易释放出来，将会引起急骤升温。混凝土单位体积内的水泥用量和品种是引起水化热绝热温升的重要因素，随着混凝土龄期按指数关系增长，最终绝热温升时间一般在10d左右，但由于结构自然散热原因，实际上混凝土内部的最高温度大多发生在混凝土浇筑后的3～5d左右。

2、混凝土收缩。混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力情况下的这种自发变形，受外力约束时（支撑条件、钢筋等），将在混凝土中产生拉应力，使混凝土开裂。引起混凝土裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩、温度收缩等三种。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是在混凝土内部自由水分蒸发引起的干缩变形。

3、外界气温变化。大体积混凝土施工阶段，往往要受外界气温变化的影响。混凝土内部温度由浇筑温度、水泥水化热绝热温升、结构散热降温等各种温度的叠加。当外界气温越高，混凝土浇筑温度也越高;外界温度下降，尤其是骤降，会增加外层混凝土与混凝土内部的温度梯度，产生温差和温差应力，当混凝土抗拉强度不足以抵抗该温度应力时，便产生温度裂缝。因此选择低温浇注，就会减少表层混凝土与外界气温的温差，有助于防止大体积混凝土开裂现象。

五、水电站厂房大体积混凝土防裂措施

1、合理、科学的选择原材料。影响一个工程质量的最根本因素是施工材料，所以需科学选择整个工程中的材料，混凝土工程中涉及的材料包括：①水泥。水泥是组成混凝土构件的重要组成部分。随着科技的发展，水泥种类越来越多，需科学选择整个工程中的水泥，减少浇筑后水热化影响。可采用在混凝土中掺入混合材料，降低混凝土水热化现象。可研发出新材料，用新的材料替换水泥，做到既能提高构件强度，又能因水泥用量减少，使混凝土水热化现象降低。②骨料。在混凝土中，必不可少的材料就是骨料，这些材料是为了约束混凝土中的砂、石等。具体施工时，需根据具体工程实际分析，在大体积混凝土构件中，最好使用大粒径骨料，只有这样才能保证整个工程质量，并且能有效减少裂缝现象。在具体施工时，必须按施工图纸中规范要求进行施工，严格控制混凝土中各种材料的用量。③掺和料。在混凝土搅拌时添加掺和料，是为了降低混凝土水热化现象，换句话说就是降低混凝土内部温度。当前，在混凝土掺和最多的就是粉煤灰，粉煤灰能提高混凝土强度与质量，因而，需积极研发新的掺和料，不断提高混凝土构件质量。

2、加强对混凝土施工过程的质量控制。①控制好大体积混凝土入模温度。施工人员在施工结束后，混凝土构件易发生水热化现象，这就要求施工人员在浇筑混凝土时，要控制好温度，以确保混凝土浇筑时的温度不会出现太大变化。而且很少会因高温天气导致混凝土水分大量蒸发。在专业施工过程中，应严格控制好施工温度;②对水电站厂房大体积混凝土的构件做浇筑时，施工人员可选择更加合理的浇筑方法进行浇筑。比如，选择分层浇筑法，可确保混凝土构件，同时减少水热化现象，以增强混凝土构件承受能力，提升质量;③施工人员在浇筑前，应做好各项浇筑前期准备工作，并制定合理、科学的浇筑计划，在实际施工中，应严格依照计划展开。此外，对比相关施工单位，所涉及到的各项技术问题，需做好各项教育工作，比如，施工单位为了更好的发展，应在社会快速发展指导下，不断创新技术，只有控制好技术，方可提升混凝土构件质量;④水电站厂房大体积混凝土浇筑结束后，需对项目展开阶段性的验收，同时做好质量监测，也就是对混凝构件加强管理，做好科学防护。

3、加强对水电站厂房大体积混凝土的养护。水电站厂房大体积混凝土表面的保护、养护工作，需交由专职人员实行轮班巡查，以确保厂房保湿条件处于最优状态，以免发生干缩变形情况。整个混凝土养护工作的目的是为使混凝土于适宜环境下渐渐凝结，这样可保证混凝土内部结构变得更加稳定。而且养护工作应在确保混凝土内外部温差较小，同时保证施工温度不低于使用时的温度，浇筑结束后20～28h内方可进行，温度较高时需及早养护。整个养护过程中，施工人员可选择1.5cm左右外包编织袋（或薄膜），而后加上防水薄膜，这样可将水电站厂房保护起来，以免阳光直射，从而达到更好的保湿、避晒作用。

参考文献：

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[2]丁兵勇.水电站厂房大体积混凝土温度应力分析与防裂措施[J].南水北调与水利科技，2015（02）.

[3]林桂元.水电站厂房大体积混凝土温度应力分析与防裂措施对策[J].建筑工程技术与设计，2017（09）.