梅河倒虹吸施工期高溫季節溫控防裂研究

□周建平 □劉福友 □梁 峰(中國水利水電第七工程局有限公司)

□張 文（新安縣水利局）

倒虹吸管身段屬水工薄壁混凝土結構，據以往同類工程的經驗，薄壁結構混凝土很容易在早期溫升和后期溫降階段產生溫度和收縮裂縫，特別是結構長度方向的中間部位易出現“上不著頂、下不著底”、“中間寬、兩端尖”的“棗核形”豎直型斜縫，甚至有時會出現多條裂縫。針對南水北調工程梅河倒虹吸的工程特點，進行倒虹吸溫度場和應力場的有限單元法數值仿真的建模和計算。

梅河渠道倒虹吸管身段共分14節，單孔結構尺寸為7.0m×6.75m（寬×高），橫向共4孔，分為兩聯，一聯2孔的箱形鋼筋混凝土結構，兩聯中間設2cm寬沉陷縫。倒虹吸邊墻厚度采用1.2m，中墻厚1.1m，縫墻1.2m，底板厚1.3m，頂板厚1.3m，為解決應力集中問題，在倒虹吸頂、底板與邊墻及中墻交接部位設置0.5m×0.5m貼角。為盡量減少水頭損失，在倒虹吸進口頂部設圓弧，倒虹斜管與水平段采用折管連接，抹角。倒虹吸管身段混凝土標號均采用C30。

1.仿真計算基礎資料

1.1 混凝土配合比

混凝土以監理批準的混凝土配合比進行拌制，結合砂子的細度模數、砂石料的實際含水量，混凝土拌和嚴格按實際施工配料單進行，控制配料稱量偏差不得超出規范允許范圍，對含氣量、溫度、水膠比等按相關規范進行檢查，施工過程中設專人檢查并做好記錄。拌和時間不得少于規范要求，在拌和站出機口應對混凝土溫度及塌落度進行檢測記錄，及時調整，不合格混凝土料不允許使用，初始混凝土配合比見表1，其微調暫不考慮對熱學性能的影響。

表1 C30W 6F150初始混凝土配合比表

1.2 力學參數

由于缺乏實測的混凝土物理力學性能，憑經驗取混凝土彈性模量計算式為（GPa）：

混凝土抗拉強度計算式為（MPa）：

后文中的允許抗拉強度為抗拉強度除以1.65的安全系數所得。

混凝土自生體積變形取為，（單位為：×10-6）

泊松比μ：0.22025

密度ρ：2376kg/m3

徐變度：（106/MPa），由于缺少試驗資料，按朱伯芳的經驗公式選取。

2.計算模型

2.1 計算區域

管身水平投影總長180m。倒虹吸管身段共分14節，單孔結構尺寸為7.0m×6.75m（寬×高），橫向共4孔，分為兩聯，一聯2孔的箱形鋼筋混凝土結構，兩聯中間設2cm寬沉陷縫。倒虹吸邊墻厚度采用1.2m，中墻厚1.1m，縫墻1.2m，底板厚1.3m，頂板厚1.3m，為解決應力集中問題，在倒虹吸頂、底板與邊墻及中墻交接部位設置0.5m×0.5m貼角。

圖1 管身段橫截面圖（cm）

2.2 單元劃分

根據施工澆筑過程的特點，對計算區域進行單元劃分，見圖2。

圖2 計算網格圖

3.計算工況

根據梅河倒虹吸施工措施方案中的施工分層，本文在對分兩層混凝土施工時的工況進行了詳細的仿真計算，模板均采用定型鋼模。

工況1：夏季澆筑，開始澆筑時刻為6月1日，無任何溫控措施。墩墻、底板2d拆模，頂板10d左右拆模。混凝土澆筑完畢后5d之內，考慮晝夜溫差10℃。計算時，考慮到在輸送和振搗過程中混凝土的溫度會有所上升，澆筑溫度為環境溫度的基礎上加5℃。

工況2：兩層的施工間歇面采用兩層農用塑料膜包裹上5mm厚工業毛氈保溫5d后掀除，墩墻表面、頂板的底面及頂板、底板的側面采用鋼模板外貼1cm厚泡沫板保溫5d后連同模板一起拆除。其它情況同工況1。（以下工況中所采用工業毛氈保溫時都是指在其上下表面包裹兩層塑料膜，采用泡沫板保溫時是指在鋼模板外表面粘貼一定厚度的泡沫板，不再贅述。）

工況3：底板頂面及底板與墩墻之間的間歇面采用1cm厚工業毛氈，底板側面采用1cm厚泡沫板，保溫6d后保溫措施連同模板一起拆除。墩墻表面采用1cm厚泡沫板，墩墻與頂板之間的間歇面采用1cm厚工業毛氈，保溫5d后保溫措施連同模板一起拆除。頂板頂面采用1.5cm厚工業毛氈，其側面及底面采用1cm厚泡沫板，保溫6d后保溫措施連同模板一起拆除。其它情況同工況1。

工況4：每層混凝土澆筑完畢2d后遭遇為期5d、1d內降溫15℃，低溫持續3d，然后在一天內恢復正常溫度的“U”型寒潮。寒潮期間晝夜溫差相對較小，不再計入晝夜溫差的影響。表面保溫措施同工況3，但是保溫時間延長，都保溫到每次寒潮結束的時刻，即底板、墩墻及頂板都保溫7d。其它情況同工況1。

根據仿真計算結果，混凝土表面裸露時，其早期表面拉應力超出了混凝土的抗拉強度，容易導致開裂。采用泡沫板保溫7d再拆模可以保證早期不出現裂縫。但為了不影響工期，保證3d拆模的進度，采用模板外側貼泡沫板3d，倉面覆蓋草袋7d的溫控措施后，使得表面拉應力降至較為安全的范圍之內。這說明即使在高溫季節，環境溫度相對較高時，只有適當的進行表面保溫的力度，才能避免開裂的出現。

4.溫控防裂措施

4.1 配合比優化

優化混凝土的配合比和摻纖維、外加劑等可有效降低混凝土絕熱溫升、減少自生體積收縮變形量，同時可有效提高混凝土自身溫控防裂能力。建議施工用配合比進一步進行相關優化（可作為科研后續工作）。

4.2 澆筑溫度

控制澆筑溫度可降低混凝土的溫度峰值，減少結構基礎溫差。根據南水北調相關規范要求，高溫季節混凝土的澆筑溫度不宜超過26℃，低溫季節澆筑溫度不低于5℃。根據同類工程經驗，入倉溫度直接決定了混凝土的基礎溫差，即規范允許范圍內混凝土的澆筑溫度應盡可能低。

對中小型工程而言，過于嚴格的澆筑溫度控制指標并不經濟，建議混凝土澆筑過程中，通過經濟可行的措施控制混凝土的澆筑溫度，尤其是高溫季節，應采用冰水沖洗和冰片拌和等措施，控制混凝土的澆筑溫度。

4.3 內外溫差

內外溫差是混凝土表面裂縫產生的主要原因。早期，水化放熱導致混凝土內部溫度較高，散熱較快的混凝土表面溫度相對較低，混凝土存在內外溫差。加之早期混凝土強度較低，較大的內外溫差很容易導致表面混凝土拉裂，產生表面裂縫。后期，隨著混凝土內部溫度降低，內外溫差減小，混凝土表面裂縫產生的可能性較小。但若遭遇寒潮或較大晝夜溫差時表面保溫不嚴，混凝土表面同樣容易被拉裂。

根據同類工程經驗，高溫季節施工時控制槽身混凝土內外溫差在20℃以內。根據同類工程經驗，同時為提高混凝土的抗裂安全度，建議施工中對混凝土進行表面保溫覆蓋，即在鋼模板表面覆蓋聚乙烯苯板及其他相應保溫措施，將混凝土的內外溫差控制在15℃左右。

5.結論

可靠的仿真計算結果是建立在準確的初始條件、邊界條件和施工方法基礎上的，因此溫控防裂方案的制定建立在對具體工程研究分析基礎上。將仿真計算結果與實際情況進行對比，及時修正模型參數，更正溫控指南，才能為后續施工提供更為可靠、合理的指導。混凝土溫控防裂是一個綜合性的系統工程，除了防止混凝土裂縫外，還要保證不影響施工進度、澆筑計劃，同時也得兼顧經濟條件和人員安排等因素。所以，要做好溫控防裂工作，唯有業主、設計、監理、施工以及科研等各方共同努力，及時溝通和交流問題，才能達到最終保證工程不裂或者基本不裂的目的。

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