挡潮闸闸墩高性能大体积混凝土温度效应与控制.pdf

第 3 2卷第 5期 Vo 1 32 No 5 水 利 水 电 科 技 进 展 Adv a nc e s i n S ci e n c e a n d Te c hn o l o g y o f W a t e r Re s o ur c es 2 0 1 2年 1 0月 Oc t 201 2 D O I ： 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 2 0 5 0 0 9 挡潮闸闸墩高性能大体积混凝土温度效应与控制 杨 中 ， 吴晓荣 ， 刘 成 ( 1 中水淮河规划设计研究有限公司， 安徽 蚌埠2 3 3 0 0 1 ； 2 南京林业大学土木工程学院， 江苏 南京2 1 0 0 3 7 ) 摘要： 为了解决某挡潮 闸枢纽工程 中高性能大体积混凝土结构浇筑时的温度控制 问题 ， 避免 因混凝 土干缩、 自体积变形、 外部约束和温度效应等因素 引起混凝土开裂 ， 取 闸室底板和 中墩进行三维有 限元建模 ， 对 闸墩采取不同的温控措施 ， 进行 闸墩温度场和温度应力场的仿真分析 ， 研究闸墩冷却 水管布置方案的温控效果并提 出科学合理的温度控制措施 ， 为现场科 学施工提供理论指导。仿真 结果表 明： 通水冷却效果 良好， 闸墩均未 出现裂缝； 在混凝土浇筑初期采取降低入仓温度和通 水冷 却等降温措施来减小由于混凝土水化热引起的最大温升， 可以有效减 小混凝土温降阶段的降温幅 度 ； 控制最大温升、 内外温差及温降速率是 大体积混凝土闸墩温控防裂的关键。 关键词 ： 高性 能混凝土； 挡潮闸； 闸墩 ； 温度控制 ； 防裂措施 ； 散热边界 中图分类号 ： T V 4 3 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 3 8 0 5 Te mpe r a t ur e e f f e c t a nd c o nt r o l a na l y s i s o f h i gh- pe r f or m a nc e mas s c o nc r e t e f o r pi e r o f t i da l g at e YANG Zh o ng ， wU X i a o r o n g ，L I U C h e n g ( 1 C h i n a W a t e r H u a i h e P l a n n i n g D e s i g n a n d R e s e a r c h C o ，L t d ， B e n g b u 2 3 3 0 0 1 ，C h i n a ； 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g， N a n j i n g F o r e s t r yU n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 3 7 ，C h i n a ) Abs t r a c t：To a v o i d c o n c r e t e c r a c k i ng d u e t o c o n c r e t e s h r i nk a g e， a u t o g e no u s d e f o r ma t i o n， e x t e r n a l c o ns t r a i nt s， a nd t e mp e r a t u r e e f f e c t s，i t i s ne c e s s a r y t o s o l v e t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l pr o b l e m o f hi g h- pe r f o rm a n c e ma s s c o n c r e t e s t r uc t ur e s d u rin g t h e p o ur i n g p r o c es s W i t h di f f e r e nt t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s f o r pi e r s，s i mul a t i o n a n a l y s i s o f t h e t e mpe r a t u r e fie l d a nd t e mpe r a t u r e s t r e s s f i e l d wa s c o n du c t e d The n，t h e t e mp e r a t ur e c o n t r o l e f f e c t o f t h e c o o l i n g wa t e r p i p e l a y o u t s c h e n l e wa s a n a l y z e d，a n d r e a s o n a b l e t e mp e r a t ur e c o n t r o l me a s ur e s a r e p r o po s e d t o g u i d e fie l d c o n s t r u c t i o nTh e s i mul a t i o n a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t ha t t he r e a r e n o c r a c ks o n t he p i e r b e c a u s e o f g o o d wa t e r c o o l i n g e f f e c t s；pi pe c o o l i n g a nd de c r e a s e o f t he p l a c i n g t e mp e r a t ur e c a n b e us e d t o d e c r e a s e t h e ma x i mum t e mp e r a t u r e ris e c a us e d by h y d r a t i o n he a t o f c o n c r e t e d uring t he i ni t i a l c o nc r e t e p o u r i n g，a nd t o d e c r e a s e t h e r a n g e o f t he t e mpe r a t u r e d e c l i n e；a nd c o n t r o l o f t h e ma x i mum t e mp e r a t u r e r i s e，t e mp e r a t ur e d i f f e r e n c e，a n d f r e e z i n g r a t e s i s c r i t i c al f o r c r a c k c o nt r o l o f t he ma s s c o n c r e t e pi e r Ke y wo r d s ：h i g h p e rf o rm a n c e c o n c r e t e； t i d a l g a t e ；p i e r ； t e mp e r a t u r e c o n t r o l ；c r a c k c o n t r o l me a s u r e s ； b o u n d a r y c o n d i t i o n s o f s c a t t e r i n g he a t 挡潮 闸主要由底板和闸墩组成 ， 为倒 T形墙一 板 式水工混凝土结构 ， 顶部 自由变形 ， 底部受底板约束 变形 ， 常形成贯穿性竖直 裂缝 ， 增 大结 构的渗透变 形 ， 影响工程稳定 。 高性能混凝土具有高耐久性 的特点 ， 包括高体 积稳定性 ( 收缩和徐变小) 、 低渗透性和高工作度。 高性能混凝土的徐 变总量 ( 基本徐变与干燥徐变之 和) 显著低于普通混凝 土， 其 中干燥徐变减少量 占 绝大多数。高性能混凝 土由于采用高效减水剂 ， 水 灰 比和单位用水量很低 ， 水化反应较早终止 ， 水化热 相应较低。但高性能混凝土采用较低的水胶 比， 且 早期强度偏低 ， 早期干缩变形及 自收缩变形均相对 较大 ， 因此产生早期裂缝的风险随之增加。 国内学者对大体积混凝土温度控制做 了很多研 究。朱伯芳 把冷却水管看成负热源 ， 建立 了大体 积混凝土的等效热传导方程 ， 在平均意义上考虑水 管冷却的效果 ， 使有 限元模型仅需布置 比较稀疏的 网格来考虑水管冷却 的效果。曹为 民等_ 2 应用非 稳定温度场和徐变应力场仿真程序对裂缝产生的原 因进行了探讨 ， 对薄壁水 闸闸墩结构采取相应的温 控措施 ， 一定程度上避免 了裂缝 的出现。朱伯芳 对混凝土坝温控 防裂技术 的发展进行 了回顾与展 望 ， 并对抗裂安全 系数 的取值 、 材料抗裂性 能的改 进、 基础温差和上 、 下层温差 的控制 、 表面保温和养 作者简介 ： 杨 中( 1 9 7 4 一 ) ， 男 ，安徽安庆人 ， 高级 工程师 ， 主要从事水工结构设计工作 。E - ma i l ： s n k y a n g 1 6 3 G O B 3 8 水利 水电科技进展 ， 2 0 1 2， 3 2 ( 5 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： j z h h u e d u C l Z h t tp： k k b h h e d M c n 护等问题进行 了分析 ， 指 出安全系数偏低 和对表 面 保护认识上的片面性是导致无坝不裂 的重要原 因。 王建等 对通 用有限元分析程序 A B A Q U S进 行 了 二次开发 ， 建立了弹性徐变本构模型， 提 出了一种考 虑表面散热对水管冷却影 响的等效算法 ， 实现 了大 体积混 凝 土 温 度 场 和徐 变 应 力 的计 算。傅 少 君 等 以小湾超高拱坝为背景 ， 系统地研究 了与温控 防裂有关的核心技术 问题 ， 建立 了拱坝温控 的动态 跟踪仿真反馈分析系统及信息化动态设计方法 ， 提 出了抗裂安全度取值建议和合理的温控设计方案 ， 实现了拱坝施工期全过程仿真反馈分析及温控措施 的动态优化设计。崔 景川 等 对某坞 口坞 墩混凝 土施工期温度场进行原型观测 ， 采用三维有 限元分 析软件 A N S Y S对坞墩混凝 土施 工期温度场进行 了 仿真分析， 并 与实测结果 进行 了对 比， 二 者基本 吻 合 ， 得 出的大体积混凝土结构在施工期温度场 的特 点及变化规律适用 于分层施工温控方案。 1 闸墩温控分析有限元模型及材料参数 某挡潮闸枢纽工程由挡潮闸 、 上下游引河 、 排水 闸及排水通道组 成 ， 属于 I等大 ( 1 ) 型水 闸 ， 共 3 3 孔 ， 每孔净宽 1 5 0 0m， 总宽度为 5 7 6 9 2m。闸室为 两孔一联开敞式大体积混凝土结构 ， 采用沉井基础 ， 闸墩分缝 ， 中墩厚 2 2 0 m， 缝墩及边墩厚 1 4 5 m， 墩 长 l 9 0 0 m， 墩高 9 0 0 m， 闸墩底部处于强约束区。 工程临近黄海 ， 闸址周围水土环境复杂 ， 建筑物 所用混凝土受海水侵蚀 ， 为 了提高工程的耐久性 ， 闸 墩和底板均采用大掺量磨 细矿渣 C 3 0水工高性能混 凝土， 其配合 比为： 胶凝材料 4 0 0 k g m ， 水泥 1 6 0 k g 、 磨细矿渣 2 2 4 k g 、 石膏 1 6 k g 。 1 1有 限元模 型 a 模型建立。本计算分 析选 取闸室两孔一联 大底板及 中墩进行 三维有 限元建模 ， 以闸室横 河向 为 向， 以外河侧指向内河侧为 Y正向 ， 以竖直向上 为 正向。模型共剖分单元 2 0 3 6 3 4个 ， 结点 8 1 1 7 0 个 ， 如图 1所示 。 图 1 闸室底板及 中墩 三维有 限元模型 水利水 电科技进展 ， 2 o 1 2， 3 2 ( 5 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 b 边界条件。在进行闸墩温度场分析时， 闸底 板及沉井为恒温边界条件。在浇筑过程中， 闸墩按 5 0 c m一层进行分层浇筑 ， 闸墩左右侧按有 木模板 的散热边界处理 ； 闸墩两圆头为钢模板 ， 考虑到钢模 板热扩散率大 ， 故按 自由散热边界处理 ； 顶面为 自由 散热边界。在浇筑结束后 ， 闸墩左 右侧按覆盖木模 板和草帘子 的散热边界处理 ； 闸墩 两圆头外侧 由于 加 了保温板 ， 故按覆盖保温板的散热边界处理； 顶面 为覆盖土工布 、 草帘子及保温板 的散热边界 。取沉 井基础底面为固定约束 ， 由于沉井埋人地下 ， 故沉井 基础四周侧边按施加法 向约束考虑 ， 底板 四周侧边 为 自由边界 。 e 荷载条件。在计算分析 中仅考虑结构承受 温度荷载引起的变形和应力分布情况 。 1 2 材料参数 根据 现 场施 工 所 采 用 的 保 温 措 施 ， 结 合 S L 1 9 1 0 0 8 水工混凝土结构设 计规范附录 G中 建议 的不 同保温材料 的热学特性指标 ， 计算得 到不 同覆盖情况下混凝土表面传热系数， 如表 1 所示 ， 各 种材料的热学参数如表 2所示 ， 模型温度应力场分 析力学材料参数如表 3所示 。 表 1 不同覆盖情况下混凝土表面传热系数 覆盖 覆盖 情况 材料 材料热扩散 1 。 m 2 - ) f W ) 表 3 温度应力场分析力学材料参数 2闸墩温控措 施分析 为了解 闸墩在不 同龄期和不同温度变化时结构 E m a i l ：j z h h u e d u C l t h t t p ： k k b h h u e d u c n 3 9 一 效 一 等 一 尉 一 一 5 5 5 O 45 4o 3 5 赠3 O 2 5 2 0 1 5 一不考虑通水冷却 +考虑通水冷却 5 5 5 0 45 40 3 5 赠3 O 2 5 2 O 1 5 图 5通 水 冷 却 措 施对 A点 和 B 点 的 影 响 在 闸墩下部采取了通水冷却措施 ， 闸墩底部 的拉应 力均不大 ， 而在 闸墩顶部有相对较大的拉应力 ， 这主 要是由于顶部作为散热边界 ， 受外界环境影响较大。 因此 ， 需要做好顶部 的保温措施 ， 以减小顶面受外界 环境影响的程度 。 图 6浇筑 4 8 h后 闸墩 中间剖面应力分布 ( 单位 ： MP a ) 4 闸墩现场施 工监测分析 4 1监测 布置 为全面了解闸墩混凝土在施工及冷却保温过程 中温度变化特性 ， 选择几个闸墩进行试浇筑 ， 试浇闸 墩里埋设了较多的监测仪器 ， 以了解 温度 和应力分 布情况 ， 寻找施工过程 中的薄弱环节， 用 以改进和完 善混凝土温控措施 ， 有效防止裂缝的产生 ， 为后续 闸 墩施工提供依据。 闸墩底部处于强约束 区， 在距 底板 2 m处布置 了较多温度计及应变计 ， 仪器埋设综合考虑 了下游 门槽和闸墩 圆头等结 构 ， 以 1 6号 中墩为例 ， 从与底 板接触处算起 ， 在 2 m， 5 I n和 7 In处共布置 了8支应 变计 、 6支温度计 和 1支无应力 计。在混凝 土人仓 后的 1 6 h内每 2 h测一次 ， 1 6 h之后每 48 h测一 次 ， 通过现场监测捕捉温度变化情况 以实 时指导施 水利水 电科技进展 ， 2 0 1 2， 3 2 ( 5 )T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 工 ， 采取对应的温控措施 。 4 2监测资料分析 闸墩的入仓温度在 1 8 2 5 c c之间 ， 受水化热的 作用 ， 第一阶段为混凝土温升阶段 ， 在随后 2 d内混 凝土内部温度上升到最大值。第二 阶段为混凝土温 降阶段 ， 温度开始下降， 最终达到与外部气温一致。 4 2 1 闸墩 温度 时程 变化 混凝土在浇筑一两天后温度达到最高 ， 随着水 化热作用的减弱 以及通水冷却和 自身散热等作用 ， 温度逐渐开始回落 ， 最高温升在 2 53 0 之间。图 7为 l 6号中墩 rI 1 2测点的温度实测值与计算值 的时 程变化过程线 ， 可以看出 ， 闸墩温度计算值与实测值 总体吻合较好 。 赠 图 7 1 6号 中墩 I 2测点温度 实测值与 计算值 时程变化过 程线 4 2 2 闸墩 内外温差的时间梯度分布 1 6号 中墩距底板 2 m处 内外温差 的时间梯度 分布如 图 8所示 ， 它是 闸墩两个不 同部位温降阶段 的温度差值 ， 由表面温度与 中心温度 相减所得。由 图 8可以看 出在温升阶段 由于通水 冷却的效果 明 显 ， 使得在这个阶段 中心温度在 同一时间段 略低于 表面温度 ， 同时也可 以看出相邻两 日闸墩 内外温差 的时间梯度变化相对较小。 4 2 0 童 一 2 赡一 4 6 8 鲁 葛 兽 g 兽g 2= 壶 壶 点 壶 盎 壶 壶 苫 苦 苫 苫 苫 苫 苫 高 舄罱蜀 罱舄 时间 图 8 1 6号中墩 距底板 2 m处内外温差时间梯度分布 4 2 3 闸墩表 面温度变化的时间梯度分布 1 6号中墩测点表面温度变化 的时问梯度 分布 如图 9所示 ， 可以看 出降温初期混凝土的温度下降 较快 ， 后期相对平缓 ， 最终随环境温度变化。表明通 过调整温控措施 ， 避免 因温度变化过大使温度应力 超过 同一时刻混凝土 的极限抗拉强度 ， 从而避免产 E m a i l ： 豇 h h u e d u c n h t tp： k k b h h u e d u C n 41 2 8 4 O 4 8 2 6 O 4 卯 m I 生裂缝。 一 赠一 一 g 兽 答 2 ： 篁 I 宁 宁 甲 0 0 0 0 0 0 0 0 0 昌 昌 高 时 间 图 9 1 6号中墩测点表面温度变化的时间梯度分布 4 2 4 混 凝 土应 变监测 分析 1 6号闸墩距底板 7 m处埋设了一支无应力计 ， 该无应力计所测应变随着时间从拉应变 向压应变变 化 ， 变化趋势平稳 ， 经计算混凝土温度膨胀系数 o L = 9 7 1 7 ： 1 0 。1 6号闸墩应变计 s 6应变过程线如 图 1 0所示 。监测结果表 明应变与温度呈正相关关系 ， 即温度升 高应变 相应增 大 ， 温度 降低应 变也 相应 降低 。 6 O 5 0 4 O 3 0 赠2 O 1 0 O I 广 I n 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 N t q N 时问 图 1 0 1 6号 闸墩 S 6应变计 实测应变 过程线 5闸墩温控 防裂措施 根据计算分析结果 、 现场监测资料及现场施工 条件 ， 该挡潮闸闸墩施工过程 中实际采取如下温控 防裂措施 ： a 混凝土人仓温度控制在 2 5 以内， 在夏季高 温季节可采用加冰拌和、 骨料冷却等措施来降低混 凝土出机 口温度 ， 在运输过程中加盖遮光布。 b 闸墩内部布置冷却水管 ， 控制最大温升幅度 在 3 0 C以内。结合现场每层浇筑厚度 ， 冷却水管在 高度方向的间距为 0 6 m， 在闸墩下方距底板 5 m高 度 内布置。 e 高温季节施工时 ， 在混凝土浇筑前可进行通 水冷却 以降低仓 内温度。闸墩开始浇筑前必须进行 通水试验 ， 确保上下两路水 管同时通水时都能达到 指定通水流量 ( 至少每路水管流量 7 0 L rai n ) 后方 可开仓浇筑 。 d 混凝土浇筑后具有通水条件 时即开始采用 井水通水 ， 水温 1 6 ， 在 昆 凝 土达到最高温度之前 采用尽可能大的流量通水以降低最高温升 。内部温 度最高温升控制在 3 0 之内。 e 闸墩 内外表面最大温差温升阶段控制在 5 、范围内， 温降阶段控制在 1 0 C以内。 f 温降速率 ， 从最高温度下降起 7 d内温 降累 计控制在 1 4 以内， E l 最大温降控制在 4 以内。 g 混 凝 土 龄期 大 于 1 0 d 且 当 内外 温 差 小 于 1 0 C后可进行拆模 ， 可选择在一天中气温最接近混 凝土温度的时间拆模 ， 拆模后做必要的保温和保湿 措施 ， 在 闸墩外侧涂刷养护剂 ， 并包裹土工布。在 闸 墩底部 1 3部分加铺保温板进行保温。 工程采取上述综合温控防裂措施浇筑 的 5 0个 闸墩未出现一条温度裂缝 ， 闸墩温控防裂取得 了良 好的效果。 6 结论 a 闸墩底部区域受底板约束 比较大， 属于强约 束区， 在混凝土温度变化 时容易产生温度裂缝。一 般在闸墩下部 2 3区域内布置冷却水管来降低 由于 水泥水化热引起 的最高温升。工程在 闸墩下部 5 m 布置 了冷却水管， 间隔 0 6 m， 温控效果较好 ， 未发现 可见裂缝 。 b 为减小混凝土温降阶段的降温幅度 ， 在混凝 土浇筑初期采取降低人仓温度和通水冷却等降温措 施来减小 由于混凝土水化热引起 的最大温升 ， 可 以 有效减小混凝土温降阶段的降温幅度。 e 控制最大温升 、 内外温差及温降速率是大体 积混凝土闸墩温控防裂的关键 。 参考文献 ： 1 朱伯芳 考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程 J 水利学报 ， 1 9 9 1 ( 3 ) ： 2 8 3 4 2 曹为民， 吴健， 闪黎 水闸闸墩温度场及应力场仿真分析 J 河海大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 5 ) ： 4 8 5 2 3 朱伯芳 混凝土坝温度控制与防止裂缝 的现状与展望 J 水利学报 ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 1 2 ) ： 1 4 2 4 1 4 3 2 4 王建， 刘爱龙 A B A Q U S在大体积混凝土徐变温度应力 计算中的应用 J 河海大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 4)： 5 3 2 5 3 7 5 傅少君 ， 张石虎， 解敏， 等 混凝土拱坝温控的动态分析 理论与实践 J 岩石力学与工程学报， 2 0 1 2 ， 3 1 ( 1 ) ： 1 1 3 1 2 2 6 崔景川 ， 陈声敢 坞墩大体积混凝土施工期温度场仿真 分析 J 水利与建筑工程学报， 2 0 1 0 ， 8 ( 3 ) ： 1 2 7 1 2 8 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 4 2 5 编辑 ： 周红梅 ) 42 水利 水电科技进展 ， 2 0 1 2， 3 2 ( 5 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E ma i l ： h h u e d u c a h t tp： k k b h h u e d c a