倒虹吸施工期温控防裂问题探讨

帅兵兵

(江西省水投建设集团有限公司 ,南昌 330000)

0 引 言

倒虹吸是灌溉工程及调水工程中常见的交叉建筑物,其施工质量直接关系到灌溉及调水工程的运行效果。倒虹吸断面形式包括箱形、拱形和圆形等,属于典型的空腔薄壁异形大体积混凝土结构,混凝土浇筑施工过程中必然面临温控防裂难题。

混凝土属于热性材料,在浇筑完成之初,因水泥水化热的作用,混凝土内部温度将急剧升高;当外界温度较低时,混凝土结构表面热量散发快而内部热量散发慢,内外出现温度差,过大的温度差必将导致混凝土结构内外变形不一致,相对变形引发结构表面拉应力。这种拉应力超出混凝土抗拉强度时必将引发结构裂缝。倒虹吸结构物因长度向尺寸远大于厚度向尺寸,结构整体收缩所引发的拉应力均较大,一旦出现裂缝,必将贯穿整个结构。深入分析倒虹吸结构物混凝土浇筑后内部应力主要影响因素及变动趋势,并提出合理有效的温控措施,对于类似水工建筑物施工质量控制具有积极意义。

1 工程概况

上饶市城市防洪三江导托渠改扩建渠道总长7212m,新建进水闸、拦水堰(闸)各一座。上饶市城市防洪工程为Ⅲ等工程,三江导托渠工程建筑物级别为三级,治涝标准为20a一遇洪水。本工程需要导流的主要建设项目有导排渠(3+989～4+270)段、进水闸、拦水闸、桥梁以及外江码头等。信江(出水闸)位于信州水利枢纽上游约1.0km,根据《江西省上饶市信州水利枢纽工程初步设计》可知,信州水利枢纽的正常蓄水位为66.0m。

三江导托渠改扩建渠道倒虹吸管身段为两联双孔箱涵形式,每节管身左右两联均对称布置,箱涵孔净尺寸为6.5m×6.8m,结构混凝土设计高度为9.3m,两联总宽度为16.3m;顶底板及每联管身外侧边墙混凝土厚1.2m,两孔间隔墙厚1.0m。管身段采用C30强度的混凝土和双层钢筋结构,φ28mm主筋按照12.5m间距布置,φ18mm分布筋按照20cm间距布置。单节管身段混凝土方量218.9m3。根据倒虹吸施工方案,沿着管身段混凝土高度分三次浇筑:首次主要浇筑底板、下部倒角和倒角上0.6m段墙体,总浇筑高度2.4m;第二次浇筑设计高度为4.0m的墙体;第三次浇筑顶板以及上部倒角、剩余墙体。混凝土采用泵送及布料机两种方式入仓;浇筑结束后通过棉被或土工膜覆盖养生。

2 计算模型

2.1 仿真区域

穿渠倒虹吸管身为双孔双联钢筋混凝土箱形设计,且左右对称,厚度较薄,底板具有很强的约束作用,同时面临严峻的温控防裂问题[1]。为保证模拟结果的真实准确,以双孔单联直管段为计算模型,模型边界四周和下方的地基均向外延伸30m。

通过结构实体单元和热力学单元离散穿渠倒虹吸管体,并对应力温度耦合场展开分析。结合该穿渠倒虹吸工程混凝土浇筑施工特点划分计算单元,共将计算模型划分成27463个单元和31846个节点,其中在厚度方向将底板和墩墙划分成8层及9层单元,竖向则将每0.3m划分成1层单元,以上划分均与实际浇筑层厚度吻合,计算精度有保证。

2.2 边界条件

穿渠倒虹吸混凝土散热系数取值主要取决于外界环境温度和风速。结合国家气象站和上饶市气象站所提供的气温观测统计资料,2020年12月—2021年12月工程所在地平均气温位于-10～21℃之间,工程区常年风速均值为12.1km/h。因倒虹吸属于水工地下建筑物,根据《水工混凝土施工规范》,可以估算出该穿渠倒虹吸表面风速达到10.4km/h,相应的混凝土散热系数取60.41kJ/(m2·h·℃)。

将混凝土和四周垫层接触边界设定为绝热边界,相应的热传导系数取0kJ/(m2·h·℃)。在进行大体积混凝土内部应力场计算时,基础底面和四周分别为三维零位移约束和法向零位移约束[2]。

2.3 计算工况

在对该穿渠倒虹吸混凝土施工过程详细分析的基础上,选择多种温控方案典型工况展开计算,以期优选出契合工程实际的温控防裂方案。试算后,最终确定出两类施工工况。

工况1:在一年中任意季节浇筑,且不采取任何温控措施,底板及墩墙浇筑2d后拆模,顶板混凝土浇筑10d后拆模。混凝土浇筑施工期间,昼夜温差达到10℃,根据环境温度及施工经验,暂将浇筑温度控制在环境温度+4℃。

工况2:在避开冬季和夏季的任意季节浇筑,对C30混凝土掺加5%粉煤灰以优化配合比(见表1),将混凝土入仓温度从22℃降至15℃。每层混凝土浇筑完成2d后遭遇持续3d降温15℃的寒潮,并在1d内恢复正常温度。墩墙、底板间增设厚度为1cm的工业毛毡,底板侧则加设厚度为1cm的泡沫板,持续保温5d后连同模板一起拆除。墩墙表面则设置厚度1cm的泡沫板,其与顶板间设置厚1cm的工业毛毡,持续保温7d后与模板一同拆除。

表1 C30混凝土配合比 kg/m3

在分析过程中,通过将散热系数取值调整为24.7kJ/(m2·h·℃)的方式模拟在混凝土刚模板外部黏贴厚度1cm工业毛毡保温的作用效果。

2.4 管体混凝土力学参数

穿渠倒虹吸大体积水工混凝土水化热、绝热温升、抗拉强度、弹性模量等力学参数随着混凝土龄期的变化趋势规律采用复合指数公式予以体现[3]。其中,大体积混凝土在特定龄期的累计水化热为龄期的幂函数;混凝土在某个龄期的绝热温升主要与混凝土胶凝材料使用量、混凝土比热容和混凝土密度等有关;具体龄期时的混凝土弹性模量则是龄期28d混凝土弹性模量的幂函数[4]。

在计算大体积混凝土应力场时,可将混凝土徐变作用简化为常规算法所得出的温度应力与应力松弛系数的乘积。应力松弛系数按照表2规定取值。

表2 应力松弛系数取值

3 计算结果及分析

3.1 混凝土入仓温度

穿渠倒虹吸结构物混凝土温度变化受混凝土入仓温度的影响较大,通过入仓温度的控制加强施工期温控防裂。为此,必须设计出不同的入仓温度,分析其对倒虹吸施工期混凝土温度及应力的影响规律。在倒虹吸管身段长度向正中央部位设置特征位置,特征点高度位于底板和边墙分仓面0.2m处。特征位置水平拉应力变化值见表3。根据表中结果,特征位置水平拉应力随着混凝土龄期的延长及入仓温度的升高,均呈增大趋势;当混凝土入仓温度在26℃及以下时不同龄期混凝土水平向拉应力值均位于《水工混凝土施工规范》所规定的限值以内,故该穿渠倒虹吸结构物混凝土入仓温度≥26℃,以降低水工混凝土发生温度裂缝的风险。

表3 特征位置水平拉应力 MPa

3.2 表面保温措施

在水化热的作用下浇筑完成的混凝土内部温度快速升高。当施工期间温度较低或温度变化幅度大,则混凝土结构温度场分布不均匀引发的温度应力必将加速温度裂缝的出现。为研究保温措施对混凝土结构应力变化的影响,设置出不同的表面放热系数,以模拟无风不保温、二级风不保温、五级风不保温以及棉被保温、纸板保温等不同情况下混凝土应力变化趋势。不同保温状态下特征位置水平拉应力模拟结果见表4。无论是否采取保温措施,混凝土浇筑施工期后期拉应力呈减小趋势;但随着养护龄期的延长,拉应力呈先增后降的变化趋势:在养护龄期达到25d时迎来拉应力增长峰值,在25～40d期间拉应力下降,此后则缓慢升高。在棉被保温的情况下,应力变化曲线最为缓和,为此笔者建议,应当采用棉被覆盖保温与混凝土内部冷却水管配合的降温措施,避免以内外温差过大而加速温度裂缝的出现[5-7]。

表4 不同保温状态特征位置水平拉应力 MPa

3.3 浇筑季节

施工季节及环境温度也是影响混凝土温度裂缝的重要方面,选择不同的浇筑施工季节会导致混凝土浇筑期内经历不同的气温变化,进而引起混凝土水平拉应力的变化。不同浇筑季节特征位置水平拉应力取值见表5,分别以4月10日、7月2日、10月25日和1月5日代表春夏秋冬4个季节。根据表中结果,1月5日(冬季)浇筑混凝土施工时特征位置水平拉应力最小,而7月2日(夏季)浇筑混凝土施工时特征位置水平拉应力最大;春季和秋季是加强混凝土温度裂缝控制的较好时机;避开冬季,在春秋季施工期间,采取表面保温和内部冷却相结合的温控措施,减小混凝土结构内外温差,可起到有效的混凝土水平拉应力水平控制效果;在冬季温控较好的基础上,进入夏季环境温度升高后,混凝土则主要表现出受压应力,出现温度裂缝的可能性大大增加。

表5 不同浇筑季节特征位置水平拉应力 MPa

3.4 裂缝的演化规律

为验证文章所得出的穿渠倒虹吸大体积混凝土温控防裂措施的有效性,通过三维配筋混凝土实体单元展开工程倒虹吸管体实际运行情况模拟,并采用改进后的Wliiiam Warnke五参数破坏面开裂准则及混凝土弹塑性本构关系,展开不同工况下裂缝演变趋势规律分析。根据分析结果,在受到工况1温度荷载作用后,穿渠倒虹吸管体在温度荷载达到20%时,管段中墙中线和顶板中线交汇处出现首道裂缝,分析原因发现,管段中墙上部混凝土体积过大,内部热量无法顺利散出;上部顶板及箱形孔表面和外界接触,温度散失快,故混凝土内部出现较大温度梯度和拉应力。这种温度梯度及拉应力均随水化热的持续增加而增大,最终引发裂缝从初始出现位置开始,逐渐贯穿整个倒虹吸箱涵结构。

在受到工况2温度荷载作用后,穿渠倒虹吸管段混凝土养护的中后期仅底板处出现微小裂缝,其余部位均无裂缝出现,分析原因发现,倒虹吸底部为刚性约束条件,管体和垫层间属于弹性接触和柔性边界,发生裂缝的概率较小。

通过以上对该导托渠改扩建渠道倒虹吸管体在不同工况下裂缝演变趋势规律的模拟分析,验证了文章所实施温控防裂措施的有效性。

4 结 论

综上所述,混凝土入仓温度、保温措施及浇筑季节等均对穿渠倒虹吸水工建筑物大体积混凝土温度裂缝的产生有较大影响,通过文章分析得知,将施工时混凝土入仓温度分别控制在20～26℃之间,避开冬季并选择春季或秋季气温较低环境浇筑混凝土并采取外部覆盖保温、内部通水冷却的组合温控措施等,均能较好地起到混凝土温控防裂效果。本工程将穿渠倒虹吸混凝土浇筑施工期安排在4月份进行,并采取外部覆盖保温板+内部敷设冷却水管的组合温控措施,工后检测结果显示,倒虹吸大体积混凝土仅出现个别微小裂缝,温控防裂效果较好。