多次寒潮冷擊下薄壁閘墩施工期力學特性分析

張社榮，王瀏劉，于 茂

（天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072）

水工混凝土結構在施工期或運行期內易出現裂縫，如水閘閘墩易在表面產生棗弧形裂縫。對于水工混凝土結構出現裂縫的原因，國內學者主要論證了溫度或混凝土收縮等對混凝土應力狀態的影響，如朱岳明等[1]結合龍灘重力壩進行了長間歇倉面寒潮冷擊下的溫度應力計算，表明寒潮冷擊易造成壩體劈頭縫；張子明等[2]研究了氣溫驟降引起大體積混凝土溫度變化和溫度應力的計算方法，分析了氣溫驟降引起的溫度及溫度應力變化規律；吉順文等[3]采用材料力學和有限元數值仿真計算法，對上猶江重力壩溢流壩段閘墩上的豎斜向和水平向裂縫的出現進行了研究，結論表明施工期溫度應力和運行期寒潮冷擊與夏季低溫庫水泄洪冷擊是其主因。故本文研究多次寒潮冷擊下的水閘閘墩混凝土結構的溫度及應力變化規律，為水閘結構設計提供相應的依據。

1 計算模型

某水閘為2級建筑物，防潮閘采用深孔與淺孔相結合布置，深孔底板高程-6.0 m，淺孔底板高程-1.0 m。防潮閘單孔凈寬15 m，經過流能力計算確定中間8個深孔，兩側各6個淺孔，共計20孔。閘室結構為筏式整體平底板，兩孔一聯，中墩厚2.0 m，縫墩厚1.5 m。閘室總寬347 m，其中深孔寬137 m，淺孔寬105 m。順河向深孔長36.0 m，淺孔長29.0 m。閘墩、底板均為C25F150混凝土。施工時，底板混凝土澆筑5天后開始澆筑閘墩。

考慮工程的結構形式和底板的布置特點以及結構的對稱性，取典型的閘墩和底板結構進行計算，計算區域如圖1所示。地基深度取30 m，上下游各取15 m，且全部采用六面體單元進行建模，共劃分單元79320個，節點88712個。取閘墩與底板交接面的上游端頭為原點，整體坐標軸選取順水流方向為x軸，垂直水流方向 （厚度方向）為y軸，豎向為z軸。計算中所采用的材料物理力學參數見表1。

圖1 計算區域及結構尺寸（高程單位:m）

基巖初始溫度取6.0℃，閘墩、底板混凝土的澆筑溫度取6.5℃。混凝土表面裸露 （未保護），相應的混凝土表面放熱系數β取83.72 kJ/(m2·h·℃)，混凝土的徐變度為

式中，τ為加載齡期，d；（t-τ）是持載時間，d。

根據水閘附近氣象站觀測資料，各月的平均氣溫及年平均氣溫見表2。為便于計算，對多年月平均氣溫進行擬合，得到一條余弦曲線:

式中，τ為時間，月；Ta為氣溫，℃。

2 寒潮冷擊下薄壁閘墩的溫度場與應力場分析

在施工期內，根據寒潮出現時間、連續出現次數，共擬定模擬8次寒潮冷擊，如圖2所示。其中，閘墩早期遭遇3次寒潮，分別發生在澆筑后的第9、18、41天，氣溫分別驟降18、20、18℃；后期連續遭遇5次寒潮，分別發生在澆筑后的第105、110、114、119、122天，氣溫分別驟降 11、20、15、21、17.5℃。

圖2 環境氣溫變化過程

閘墩內外混凝土溫度變化的差異是影響閘墩表面應力水平的關鍵因素，分析這一變化過程有利于對閘墩表面的應力變化做出判斷。圖3反映了寒潮冷擊下閘墩內部路徑及表面路徑上不同代表節點的溫度隨時間的變化過程。閘墩冷擊時，閘墩混凝土內部及外部的溫度均有不同幅值的降低。在早期，混凝土表面點的溫度降幅較大，降幅最大位置在閘墩上部的表面角點處，為18.2℃，該處混凝土兩面臨空，散熱快；閘墩頂部表面點處降幅次之，為14.4℃，此處混凝土單面散熱，且與下部混凝土接觸面積小，內部混凝土傳熱量較低；閘墩側面的表面點的降幅最低，為12.4℃，此處混凝土單面散熱，且與內部混凝土接觸面積大，內部混凝土傳熱量較大。在后期，閘墩表面點的溫度降幅最大值仍位于閘墩頂部的角點處，最大溫度降幅為15.9℃。寒潮冷擊下，混凝土內部的溫度波動幅度比較小，閘墩中部和底部混凝土內部點的溫度最大波動幅度分別為2.9、2.7℃。在施工早期，環境氣溫處于降溫階段，混凝土內部溫度高于表面溫度；后期，環境溫度處于升溫過程，混凝土內部溫度低于表面溫度。

表1 混凝土及地基物理力學參數

表2 全年氣溫特征℃

圖3 多次寒潮冷擊下閘墩溫度場變化過程

早期寒潮與后期寒潮冷擊下，閘墩混凝土內外溫差也表現出不同的波動特點。根據圖3a可知，早期寒潮冷擊造成的閘墩混凝土的內外溫差更大，最大內外溫差可達到18℃左右，出現在第1次寒潮發生時。顯然，因為混凝土早期水化熱產生速率大，處于較快升溫階段，雖然第1次寒潮來臨時氣溫驟降幅度 （18℃）小于第2次驟降幅度 （20℃），但寒潮發生越早，閘墩內外溫差越大 （兩次寒潮下最大溫差分別為18、16℃），溫度梯度越大。在后期，雖然有連續5次的寒潮連續冷擊閘墩表面，但閘墩內外的溫差較前期仍有較大降幅，5次寒潮冷擊過程中，最大氣溫驟降為21℃，但閘墩內外溫差最大為9℃左右，其主要原因是該階段內大氣升溫，內部混凝土溫度低于表面溫度，寒潮冷擊的效應部分被抵消；且后期閘墩混凝土的水化熱速率已經很小了，內部混凝土升溫不明顯，也會導致閘墩內外溫差不大，閘墩內外溫度梯降較前期也有明顯減小。

多次寒潮冷擊下，閘墩典型位置處的應力變化過程如圖4所示。在早期，雖然寒潮冷擊引起的溫度波動很大，但因混凝土彈性模量還不是很大，再加上混凝土徐變等影響，閘墩表面應力的波動幅度并不大，內部混凝土的應力波動更小。前期混凝土的應力波動幅值在0.1 MPa以內。在后期，雖然寒潮冷擊時混凝土的溫度波動幅值不大，但此時混凝土的彈性模量已經很大。因此，寒潮引發的應力波動幅值反而更大，且表面點的波動幅值大于內部點。閘墩下部與底板交接的角點處的混凝土的應力幅值最大，最大拉應力可以達到0.7 MPa以上，雖然尚未達到混凝土的抗拉強度，但較大的應力波動增大了混凝土的開裂可能性；波動幅值其次為閘墩中部的表面點、閘墩上部的角點及閘墩上部中心點，冷擊下拉應力在0.5 MPa以內；閘墩內部混凝土應力也有一定的波動，但波動較小。

3 結 論

圖4 不同特性寒潮冷擊下閘墩受力變化過程

本文建立水閘閘墩受多次寒潮冷擊的模型，通過設定寒潮的出現時間和連續發生次數，分別從溫度場與應力場等角度分析閘墩薄壁混凝土結構在環境溫度、混凝土水化熱、溫控措施、混凝土徐變及氣溫驟降等因素影響下，施工早期與后期寒潮及連續寒潮冷擊下閘墩結構的真實受力特性。研究表明，在早期寒潮冷擊下，閘墩混凝土溫度場波動大，但應力波動小；在后期多次寒潮冷擊下，閘墩的溫度場波動較小，但應力場波動較大，且在短期內應力幅值頻繁波動，開裂可能性大大提高。閘墩應力波動較大位置主要位于閘墩與底板交接的拐角處，寒潮冷擊下，拐角處兩側的混凝土均因溫度驟降而產生收縮變形，且此處幾何突變較大，易產生較大的拉應力。在大壩及泄洪建筑物中，有很多類似于水閘閘墩的薄壁邊墻結構在施工期遭遇寒潮，其溫度與受力狀態具有類似的變化規律，在結構設計中應予以考慮寒潮的影響。

［1］朱岳明，賀金仁，石青春.龍灘大壩倉面長間歇和寒潮冷擊的溫控防裂分析［J］.水力發電，2003，29（5）:6-9.

［2］張子明,王嘉航,姜冬菊,等.氣溫驟降時大體積混凝土的溫度應力計算［J］.河海大學學報: 自然科學版，2003，31（1）:11-15.

［3］吉順文，朱岳明，強晟，等.上猶江溢流壩段閘墩裂縫成因和結構安全影響研究［J］.水利學報，2007（S1） :205-209.