船闸等薄壁结构长间歇后温控防裂措施研究

李松辉，雒翔宇，张国新，白彦平，程创新

(1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.安徽引江济淮集团有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

船闸通常由闸室、闸首、闸门、引航道及相应设备组成，属于大体积薄壁混凝土结构。从船闸的施工程序、结构特征、材料特性可以看出，温控防裂是大型船闸施工的重点和难点[1-3]。大量工程实际表明，闸墙、导角等结构体常常会出现均匀的竖向裂缝，且已经成为普遍现象，最有利的措施是施工后发现裂缝然后进行修补。对于闸室墙等的安全运营和经济效益均存在一定的影响[4-5]。

底板、导角、闸室墙3种结构的建设是船闸建设中的难点，统计分析发现闸室底板与导角、闸墙浇筑均存在28 d以上的长间歇期[6]。长间歇对大体积混凝土的防裂不利，但根据船闸的施工工艺，底板、导角、闸墙间的长间歇不可避免[7-8]。根据统计结果，闸室底板浇筑后需要建立闸墙模板，40 d长间歇为最短时间，通常的底板与闸墙间歇期均在60 d以上[9-11]。混凝土浇筑的长间歇必然会对闸墙产生较强约束，同时导致新老混凝土产生较高的温差[12]。部分船闸根据施工经验，起初采用了加大配筋解决防裂问题[13-15]，但效果微弱。目前，长间歇导致的裂缝主要局限于后期的修补及加固阶段[16]，大幅增加了工程成本。

根据闸墙或者导角出现裂缝的这种现象，很多学者及专家均对其进行了分析研究。蒋炳芳等人研究分析了船闸裂缝产生的原因，普遍认为船闸混凝土温控标准及相应措施是施工防裂的关键因素[3，17]，但是相应温控标准及温控措施落实后闸墙裂缝依然存在。分析发现，船闸建设过程中参考水运混凝土规范，规范中并未对新老混凝土温差做出具体要求[18]。

基于上述问题，本文将从混凝土浇筑及硬化规律出发，分析船闸建设过程中长间歇导致裂缝产生的内在原因。基于其本质原因，探索降低长间歇的温度应力方法，并通过有限元方法进一步验证本文提出的长间歇分块浇筑方法温控防裂的有效性。研究成果可为船闸工程长间歇后新浇混凝土温控防裂提供理论参考。

1 温度应力计算分析

船闸混凝土长间歇后新浇混凝土的裂缝产生主要源于其硬化过程中材料特性变化及温度变化产生的应力[19]。前人研究发现，混凝土裂缝的产生是由于应力超过抗拉强度，而抗拉强度的产生不但与温差有关，还与约束条件有关。故总结长间歇导致新浇混凝土应力值过大而导致裂缝的主要原因有：①长间歇后老混凝土弹性模量达到30 GPa以上导致新浇混凝土受到强约束；②长间歇老混凝土温度趋于稳定导致新老混凝土温差过大。基于上述两点深入分析长间歇导致新浇混凝土开裂的内在原因。

1.1 长间歇后温度应力分析

船闸底板与竖墙浇筑时间间隔过长无法避免，长间歇后底板弹性模量增大、通过长时间温降后温度趋于随气温稳定变化状态，导致底板对竖墙约束增强、新老混凝土温差增大，从而产生超规的应力，导致竖墙底板发生裂缝[19]。

长间歇后，老混凝土硬化过程基本结束，根据混凝土弹性模量的时间变化规律，间歇期至少可以达到90 d以上，此时数值可以达到最终弹性模量的90%以上。因此长间歇后的新混凝土浇筑相当于在刚性基岩上进行浇筑。新老混凝土受力示意见图1。

图1 新浇混凝土受力示意

根据图1所示，借鉴朱伯芳院士的刚性基础上新浇块均匀冷却时的温度应力分析[1]，引用短边受任意荷载时矩形板的解答结果，使浇筑块两端的剪应力消除，得出浇筑块横向应力如下

σx=-ζ·E·α·T

(1)

式中，σx为竖墙横向应力(拉为正，压为负)；ζ为应力系数；E为底板弹性模量；α为线膨胀系数；T为竖墙与底板的温差。

通常情况下线膨胀系数为固定值。从式(1)可以看出，长间歇后新浇混凝土横向正应力的值主要取决于应力系数ζ。降低应力的主要方法是降低弹性模量、降低新老混凝土温差、降低应力系数。

1.2 分析方法及理论

根据上述分析，基于新浇混凝土的应力特征、长间歇特性以及混凝土的硬化特性，应用自主研发的saptis软件[20]，仿真分析船闸底板浇筑过程及闸墙浇筑过程。

通常情况下，混凝土在复杂应力状态下的整体平衡方程为

[K]{Δδn}={ΔPn}L+{ΔPn}C+
{ΔPn}T+{ΔPn}0

(2)

式中，[K]为刚度矩阵；{Δδn}为位移增量；{ΔPn}L为外荷载；{ΔPn}C为徐变荷载增量；{ΔPn}T为温度荷载增量；{ΔPn}0为自生体积变形荷载增量。

2 数值模型及工况

以某船闸闸室为例，计算分析长间歇对于新浇混凝土温度应力的影响，探索分析提高长宽比、降低新老混凝土温差对于温度应力的影响。

2.1 数值模型

数值模型如图2所示，闸室长17 m。在分析新浇混凝土温度应力时在底部有1～2 m的首层浇筑。分段浇筑的关键就在于对首层混凝土进行分段，可以达到提高高宽比的目的。应力超标主要发生在首层浇筑部位，因此设定了4个温度应力监测点(见图2)。

图2 长间歇分块浇筑模型示意

2.2 计算参数及计算工况

船闸混凝土具有绝热温升高、弹性模量大、线膨胀系数大等特点，本研究计算参数如表1所示。

表1 混凝土基本计算参数

假定底板与新浇混凝土的间歇期均为60 d，建立不同工况的分析分层分块、降低新老混凝土温差对长间歇期后新浇混凝土应力降低的作用效果，具体计算工况见表2。仿真分析内容主要包括：长间歇期新浇混凝土温度应力分析(工况2)；长间歇期新浇混凝土分层浇筑温度应力分析(工况3)；长间歇期新浇混凝土分层分块浇筑温度应力分析(工况4)；长间歇期新浇混凝土分块浇筑及降低新老混凝土温差T的温度应力分析(工况5)，降低新老混凝土温差的措施为低温浇筑新混凝土并加强冷却水管，老混凝土保温。

表2 计算工况

3 结果和讨论

3.1 计算仿真结果

3.1.1 长间歇期温度应力分析

工况1和工况2分别为新混凝土在底板浇筑完成7 d后浇筑和60 d后浇筑，选取同一靠近底板附近点温度应力分析，结果见图3。从图3可以看出，长间歇期后底板混凝土硬化完成，同时由于厚度较小和温升过程的结束温度降为常温，直接导致新浇混凝土受到强约束和新老混凝土温差大的影响；长间歇期后新浇混凝土温度应力从早期开始就呈向上发展趋势，应力远远超过短间歇期的新浇混凝温度应力值。因此长间歇期是导致新浇闸墙等混凝土结构出现裂缝的主要原因。该结论与理论分析结果规律一致。

图3 工况1与工况2的应力过程线对比

3.1.2 分层计算结果对比

船闸的闸室与底板浇筑间歇期过长不可避免的同时，闸墙浇筑过程中受钢筋施工工艺等影响[6]，闸墙在浇筑过程中长间歇期后新浇混凝土浇筑层厚度过高会使其温度过高，温度应力过大，如图4所示。同时由于闸墙为薄壁结构，浇筑过程中可以利用侧面散热，温度场不易控制。因此，首先需要在长间歇期后设定薄层混凝土进行过渡，分层过渡可以明显降低新老混凝土温差，从而达到降低温度应力的效果，如图5所示。

图4 一次封顶浇筑温度应力包络图

图5 分层浇筑温度应力包络图

温度应力计算结果见表3。从表3可以看出，一次性浇筑监测点从最底部开始最大值为3.5 MPa，最小值为3.39 MPa。而分层浇筑后监测点从最底部开始最大值为3.18 MPa，最小值为2.65 MPa，并且分层浇筑与一次性浇筑数值仿真规律相似，即同一高程范围内与老混凝土距离越远，应力值越小。

表3 分层工况下温度应力计算结果

3.1.3 分层分块浇筑结果

在进行闸墙等薄壁结构分层的基础上，底部应力依旧较大。根据第2.1节的分析可知，此时通过降低高宽比和新老混凝土温差可明显减低底部温度应力，从而达到防止裂缝产生的效果。基于上述理论，本文对比了工况3、4、5的计算结果。其中，工况4分块浇筑的最大应力值包络图如图6所示；工况5分块浇筑并保温的最大应力值包络图如图7所示。对比图4(一次性浇筑)、图5(分层浇筑)、图6(分层分块浇筑)、图7(分层分块浇筑并降低新老混凝土温差)可以看出，采取分层分块降低新老混凝土温差后，可以明显降低新浇混凝土底部混凝土温度应力，结果见表4。从表4可知，工况5的计算结果为从最底部开始最大值2.62 MPa，最小值2.04 MPa。

图6 分块浇筑应力最大值包络图

图7 分块浇筑并保温应力最大值包络图

不同措施降低应力值的效果不同。从表3、4可以看出，工况3与工况4的最大差值从底部开始最大为0.49 MPa，最小为0.38 MPa；而工况4与工况5的最大差值分别为0.18 MPa和0.12 MPa；工况5与工况4的差距明显小于工况3与工况4的差距。

表4 分层分块工况下温度应力计算结果

3.2 结果分析

本文研究分析了闸墙浇筑过程中长间歇期导致裂缝产生的原因，最关键的因素是基础弹性模量和新浇混凝土温差。因此，预防长间歇后防止新浇混凝土裂缝产生的关键是降低新浇混凝土应力。从式(1)中可以看出，降低应力的主要方法是减小应力系数ζ、弹性模量E(τ)、新浇混凝土温降T、线膨胀系数。具体措施为：①根据2.1节的分析可知[1]，分块浇筑可以增大高宽比从而达到减小应力系数ζ的目的；②新浇混凝土分层浇筑可以增大散热量，低温浇筑及强化水管冷却也可达到降低新浇混凝土最高温度的目的。

基于数值模型分析，可总结出以下结论：

(1)与一次性浇筑相比，分层分块浇筑均能降低新浇混凝土的温度应力，但是降低幅度与高程有一定的关系，以新老混凝土交界处为0点，随着高度越高，温度应力降低幅度越大。分块浇筑降低温度应力的效果更为明显，尤其是新老混凝土接触部位的温度应力明显降低。

(2)对老混凝土实施保温从而降低新老混凝土温差，可以达到降低新浇混凝土的温度应力值，但从新老混凝土接触部位到远离新老混凝土接触部位的地方温度应力减小值差异较小，减小值仅为原有应力的3%，对应力值降低贡献较小。

4 结论与建议

本文探索分析了长间歇后薄壁结构顺河向应力的影响因素，并基于上述分析提出了长间歇后薄壁结构的防裂措施及方法。得出以下结论及建议：

(1)从理论分析结果可知，分层分块是明显降低约束系数的方法，其中分块浇筑可以明显降低新浇混凝土底部的温度应力。

(2)船闸浇筑混凝土均具有高强高水化热的特点，降低新老混凝土温差的主要手段只有老混凝土保温和降低新浇混凝温度的温控措施。但是通过降低新老混凝土温差对于降低新浇混凝土温度应力的作用较小。

(3)建议工程实践中采用分层分块浇筑方法，并根据实际情况，进一步研究分析新浇混凝土分层分块浇筑工艺。