安仁鋪船閘邊墩混凝土溫度監測及有限元模擬分析

范洪浩，鄧春林，趙利平，張琴飛，凌云，歐陽偉，鄭星偉

（1.衢州市港航管理局，衢州324000；2.衢州市衢江航運開發工程項目建設指揮部，衢州324000；3.中交四航工程研究院有限公司，廣州510230；4.長沙理工大學，長沙410114；5.浙江省第一水電建設集團股份有限公司，杭州310051；6.廣州大學土木工程學院，廣州510006）

安仁鋪船閘邊墩混凝土溫度監測及有限元模擬分析

范洪浩1，2，鄧春林3，趙利平4，張琴飛2，凌云5，歐陽偉6，鄭星偉2

（1.衢州市港航管理局，衢州324000；2.衢州市衢江航運開發工程項目建設指揮部，衢州324000；3.中交四航工程研究院有限公司，廣州510230；4.長沙理工大學，長沙410114；5.浙江省第一水電建設集團股份有限公司，杭州310051；6.廣州大學土木工程學院，廣州510006）

船閘邊墩屬于大體積混凝土，施工前進行混凝土溫度應力計算是控制裂縫的關鍵，而掌握混凝土內部溫度隨時間的變化是計算結構內部溫度應力的前提。現場溫度監測和有限元計算得到的混凝土內部的溫度變化規律，監測數據驗證了有限元計算的準確性，為類似工程通過有限元計算控制混凝土溫度裂縫提供了技術支撐。

船閘；混凝土；溫度；有限元

船閘混凝土溫度裂縫問題已經受到業界的廣泛關注［1-5］，但是船閘裂縫問題依然突出。衢州安仁鋪船閘輸水廊道邊墩體積較大，單層澆筑厚度為3.5m，長邊和短邊尺寸為10.5m和9.5m，單塊澆筑量接近200m3，混凝土強度等級為C25。邊墩澆筑在厚度為3m、強度等級也為C25的混凝土底板上，邊墩的構造示意圖見圖1所示［6］。大體積混凝土水化熱與裂縫的控制息息相關，了解大體積混凝土內部的升溫、降溫情況是混凝土內部溫度應力分析的前提。安仁鋪船閘上閘首邊墩混凝土澆筑前，在邊墩中部截面由外向內、由下至上共埋設了11個溫度傳感器，在澆筑后0～45 d內，一般每隔2 h監測一次各點溫度。同時采用MIDAS FEA軟件計算了圖1所示構造內部溫度隨時間的發展規律。實際監測結果與有限元計算的結果基本接近，并利用MIDAS軟件計算結果進行后續部位混凝土溫度裂縫控制。

圖1 邊墩示意圖Fig.1 Sketch of side pier

1 邊墩混凝土溫度監測

安仁鋪船閘上閘首邊墩采用C25混凝土，水膠比0.44，膠凝材料用量350 kg/m3，水泥占80%，粉煤灰占20%。圖1中網格部分尺寸是2.05m×4.5m×3.5m的混凝土塊體，將塊體沿邊界剖開后見圖2。圖2六面體正面尺寸為2.05m×3.5m，六面體正面、右側面為混凝土內部剖面，六面體左側面、背面、頂面與大氣接觸，六面體底面為3m厚的C25混凝土底板。在正面由外向內埋設6個傳感器，編號分別為D1～D6，D1距離混凝土表面5cm，各傳感器間距為40cm，布置在同一水平高度。由上至下共埋設了6個溫度傳感器，編號分別為D6～D11，D11埋設于澆筑界面上5cm，D6～D11各傳感器的高度差為30cm，各傳感器在同一鉛垂線上。混凝土澆筑后，每隔2h左右監測一次各點的溫度數據。

表1 有限元計算參數Tab.1 Parameters for finite element calculation

將圖2所示六面體模型進行網格劃分和有限元計算計算，參數見表1所示，根據有限元計算得到邊墩澆筑后0～45d內，整個六面體內部的溫度分布云圖，并截取了部分時間點和部分位置的計算溫度數據，與實際監測數據進行對比。

圖2 邊墩傳感器埋設圖Fig.2 Temperature sensor embedded in side pier

圖3 水平向溫度分布Fig.3 Temperature distribution in horizontal direction

圖4 中心溫度與內表溫差Fig.4 Center temperature and temperature difference between inside and surface

2 溫度監測結果分析

水平向由內向外各點D1～D6及環境溫度隨時間的變化見圖3所示。水平向的溫度梯度反映的是混凝土內部與大氣進行熱交換的快慢程度，由于邊墩混凝土體積量太大，內部的D4、D5、D6 3個測點在25 d時溫度依然超過40℃，內部降溫速率較慢。

圖4是中心溫度和內表溫差隨時間的發展情況，可以看出，內表溫差在5～17 d內長期超過25℃，10 d左右甚至超過30℃，大大超過規范［8］規定的25℃的要求。中心點D6在3 d時溫度達到71.4℃，3～10 d的降溫速率為1.1℃/d，10～19 d降溫速率為1.6℃/ d，19～30 d降溫速率為0.9℃/d，30～45 d降溫速率為0.3℃/d。降溫速率滿足規范要求的不大于2℃/d。需要說明的是，內表溫差和降溫速率往往是相互矛盾的指標，一般來說，構件的最小邊尺寸越大，內表溫差也越大，中心點的降溫速率將越低；構件尺寸越小，內表溫差一般也比較小，但是中心點的降溫速率一般比較大，最小邊尺寸1m左右的構件，中心降溫速率可以達到6℃/d～7℃/d［9］。

中心點D6的溫度從入模溫度31℃升高至71.4℃，由于邊墩體積較大，中心點D6的溫度基本上可以認為是混凝土的絕熱溫升，達到40.4℃，中心點前80 h的升溫實測數據見圖5所示。根據相關標準給出的推薦計算公式，見式（1），m的取值與放熱速率直接相關，m值取推薦的最大值0.5時，混凝土前80 h的絕熱溫升曲線見圖5中的計算值。可以看出，規范給出的推薦計算公式所計算的放熱速率比實際監測值要慢很多。

圖5 中心點早期溫度監測值與計算值Fig.5 Themonitoring value and calculated value

圖6 豎向溫度發展Fig.6 Temperature distribution in vertical direction

為獲得公式（1）中合理的m取值，將不同的m值代入公式（1）中，計算了不同時刻的溫度值，并與實際監測值進行對比，結果顯示，m取1.4時，實際監測數值與理論計算數值較吻合，見圖6所示。近年來，水泥的粉磨細度提高，水泥的水化放熱速率顯著提高可能是導致實際m值比規范推薦值顯著增大的主要原因。

豎向的溫度發展反映的是邊墩混凝土與底板進行熱交換的快慢程度，邊墩澆筑時，底板已經澆筑2個月以上，底板內部溫度與環境溫度基本一致。從圖7結果可以看出，豎向的溫度梯度比水平向小很多，界面處監測點D11在澆筑0～20 d內，溫度一直處于55～50℃之間，邊墩混凝土在水化初期將較多熱量傳遞給底板之后，澆筑界面處的溫度在0～10 d內基本保持不變，10～20 d期間降溫速率亦非常緩慢，僅為0.5℃/d。

邊墩降溫階段，如果底板也能發生降溫收縮，可在一定程度上降低邊墩混凝土的降溫收縮應力。邊墩混凝土的水化熱必然會導致底板混凝土溫度的升高，但由于底板未埋設傳感器，所以通過水平向溫度傳感器之間的溫度差對底板的溫升情況進行初步估計。根據D3～D6傳感器的監測值，計算了不同溫度下的溫度梯度，換算成每米長度范圍內的溫度差，見圖8所示。溫度低于40℃時，每米溫差為4℃～5℃，溫度為50℃時，每米溫差達到8℃左右，溫度為60℃時，每米溫差降低至6℃～7℃。根據界面處的溫度推算，邊墩混凝土澆筑后，邊墩下部的底板上面1m范圍內的混凝土溫度可以從環境溫度25℃左右升高到45℃～50℃。

目前相關標準［8］計算混凝土受外部約束時產生的拉應力，一般都考慮混凝土從最高溫度降低至環境溫度的總溫差導致的收縮應力。由于底板在邊墩混凝土水化時溫度升高，發生了膨脹，底板后期的降溫收縮可以釋放一部分邊墩混凝土的降溫收縮應力，導致計算的拉應力往往偏大，這在目前的規范和相關資料中較少考慮。如圖7中，20 d以后，中心溫度與界面溫度基本保持一致，即與底板上層1m左右混凝土基本接近，邊墩混凝土這個階段的降溫收縮與底板降溫收縮基本同步，降溫收縮產生的拉應力較小。

圖7 每米溫度差Fig.7 Temperature difference of eachmeter

3 邊墩混凝土有限元模擬結果分析

利用MIDAS FEA軟件進行邊墩混凝土內部溫度梯度分布的有限元模擬，得到了邊墩混凝土內部在0～45 d內的溫度分布云圖。為了對比監測數據和有限元模擬數據的符合程度，截取了10 d時的溫度分布云圖，以及表面點D1、中心點D6、澆筑界面點D11在該時刻的溫度值。

據計算結果和監測結果，對比了表面點D1、中心點D6、澆筑界面點D11在各個時刻的溫度值（表2）。表面點受氣溫影響較大，計算值與監測值的偏差稍大；內部點D6和界面點D11計算值與監測值的偏差基本小于1.2℃。可以說，有限元分析實現混凝土內部溫度梯度精確模擬，為后續構件及類似工程施工過程中，通過有限元分析數據控制混凝土養護工藝提供了技術支撐。

表2 各點監測結果與計算結果對比Tab.2 Comparison ofmonitoring results and calculation results℃

4 結語

通過對船閘邊墩施工期大體積混凝土內部溫度變化的監測結果與有限元模型計算結果的分析比較，可以得出以下結論：（1）C25混凝土的絕熱溫升約為40.4℃，混凝土前3 d的升溫速率比規范估算的溫升速率大，國家標準中絕熱溫升計算公式推薦的m取值為0.3～0.5，而安仁鋪船閘取值為1.4比較合理。（2）邊墩混凝土水化熱可以使底板混凝土溫度升高20～25℃，20 d以后，邊墩中心溫度與水平界面處溫度基本保持一致，邊墩混凝土20 d后的降溫收縮與底板降溫收縮基本同步，降溫收縮產生的拉應力較小。（3）有限元計算實現了邊墩內部混凝土溫度的精確模擬，計算值與監測值的偏差小于1.2℃。（4）邊墩混凝土內部溫升較大，溫度降低速率較低，宜在邊墩混凝土內部埋設冷卻水管降溫。

［1］辛彥青，李振聲，劉春俊.船閘混凝土溫度裂縫的經驗教訓［J］.水運工程，2002，343（8）∶78-80，85. XIN Y Q，LI Z S，LIU C J.Experience and Lessons about Thermal Cracks in Shiplock Concrete［J］.Port&Waterway Engineer?ing，2002，343（8）∶78-80，85.

［2］聶霞.京杭運河諫壁二線船閘閘室墻防裂技術試驗研究［J］.中國港灣建設，2002（2）∶19-23. NIE X.Experiments and Study on Anti?Cracking Technique for Concrete in Lock?Chamber Walls of Second Ship Lock in Jianbi on Beijing?Hangzhou Grand Canal［J］.China Harbour Engineering，2002（2）∶19-23.

［3］范焱斌，蔣明鋒，陳亞嬌，等.船閘塢式結構的尺寸和分縫對溫度應力的影響［J］.水道港口，2012（2）∶132-135. FAN Y B，JIANGm F，CHEN Y J，et al.Influence of size and joint of unitary lock on temperature stress［J］.Journal of Waterway and Harbor，2012（2）∶132-135.

［4］鄧春林，范洪浩，張琴飛，等.船閘工程混凝土裂縫控制技術［J］.水運工程，2015（3）∶123-127. DENG C L，FAN H H，ZHANG Q F，et al.Cracks control of concrete for locks［J］.Port&Waterway Engineering，2015（3）∶123-127.

［5］曹周紅.株洲航電樞紐船閘混凝土工程溫度控制措施研究［J］.水運工程，2005，375（4）∶67-69. CAO Z H.Concrete Engineering Temperature Control of Zhuzhou Navigation Power Junction Shiplock［J］.Port&Waterway Engi?neering，2005，375（4）∶67-69.

［6］范大林.錢塘江中上游衢江（衢州段）航運開發工程安仁鋪樞紐及船閘施工圖設計［R］.衢州∶衢州市衢江航運開發工程項目建設指揮部，2012.

［7］鄧春林，范洪浩，張琴飛，等.船閘工程混凝土裂縫控制技術［J］.水運工程，2015（3）∶123-127. DENG C L，FAN H H，ZHANG Q F，et al.Thermal conductivity of concrete based on in?situmonitoring［J］.Port&Waterway En?gineering，2015（3）∶132-135.

［8］GB 50496-2009，大體積混凝土施工規范［S］.

［9］鄧春林.廣州市洲頭咀隧道工程二標沉管（E3E4管節）混凝土配合比調整及溫度應變研究［R］.廣州∶中交四航工程研究院有限公司，2014.

Temperaturemonitoring and FEM analysis of side pier concrete of Anrenpu lock

FAN Hong?hao1,2,DENG Chun?lin3,ZHAO Li?ping4,ZHANG Qin?fei2,LING Yun5, OUYANG Wei6,ZHENG Xing?wei2
（1.Quzhou Port and Waterwaymanagement Bureau,Quzhou 324000,China;2.Qujiang shipping development project construction headquarters of Quzhou,Quzhou 324000,China;3.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,LTD.,Guangzhou 510230,China;4.Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114, China;5.Zhejiang Provincial No.1 Water Conservancy&Electric Power Construction Group Holdings Co.,Ltd., Hangzhou 310051,China;6.School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China）

Side pier of lock ismass concrete.Before the construction of the side pier,temperature stress calcu?lation is important for the crack control,and the internal temperature of concrete with time is of vital important to the calculation of temperature stress inside concrete.Through the comparison of in?situ temperaturemonitoring and finite calculation analysis of temperature inside the concrete,the accuracy of the finite element calculation is veri?fied by themonitoring data,and it is possible to control the temperature crack of concrete through the finite element calculation data.

lock;concrete;temperature;finite element

TV 33；U 641

A

1005-8443（2015）03-0244-04

2015-04-14；

2015-05-05

范洪浩（1981-），男，黑龍江五常人，工程師，從事內河航運開發建設管理工作。

Biography：FAN Hong?hao(1981-)，male，engineer.