帶支撐梁的船閘閘室裂縫成因分析*

張潤德，董家領，方朝陽，黎錦釗

(1.廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

軟土地基上的船閘閘室常常采用塢式結構，其優點是地基受力均勻、結構簡單、對地基承載力的要求較低。但是大量的工程實踐證明，許多采用這種結構形式的船閘閘室在施工期由于溫度變形和約束作用容易產生溫度裂縫[1-2]。同時軟基上船閘閘室的基坑工程又常常采用鋼筋混凝土支撐梁結構保證基坑的安全穩定性[3]，支撐梁的存在又會使船閘閘室約束作用更為復雜。

針對無支撐梁結構的船閘閘室施工期溫控防裂問題，許多學者進行了大量的數值分析以及工程措施等方面的研究[4-8]，并取得了豐碩的成果，也有學者研究了溫度變化對支撐梁軸力的影響[9-11]。然而，在澆筑新混凝土時仍未拆除的支撐梁和新混凝土之間會形成比較大的溫差，同時由于支撐梁的彈性模量較大，由溫度變形和支撐梁約束產生的溫度應力也有可能使船閘產生裂縫，影響船閘的正常使用。

某船閘閘室帶有支撐梁結構，施工期在支撐梁上部出現表面裂縫。筆者基于有限元分析原理，使用ANSYS軟件對閘室表面裂縫形成原因和分布規律進行研究，提出應對措施，防止裂縫產生。

1 現場結構布置及溫度裂縫情況

某船閘為Ⅲ級船閘，其閘室坐落在黏性土層和砂層上，屬于軟基上的船閘結構。閘室采用整體塢式結構，單節閘室長17.0 m，高25.34 m，結構尺寸較大，因此，在開挖基坑過程中采用臨時支護措施即澆筑支撐梁平衡結構應力和避免產生不均勻沉降。支撐梁采用現澆鋼筋混凝土結構，在閘室澆筑至一定高程后才予以拆除。

根據施工方案，閘室兩側閘墻上部各有2層空箱。支撐梁穿過第1層閘室空箱，支撐梁由3道對頂撐以及2道斜撐組成，對頂撐以及斜撐斷面尺寸均為1.0 m×1.1 m(寬×高)。支撐梁混凝土強度等級為C40，閘室主體結構混凝土強度等級為C25。船閘閘室及支撐梁結構見圖1。

某節閘室澆筑含有支撐梁結構的空箱層后，支撐梁上部出現豎向的表面裂縫，裂縫自支撐梁上部延伸至該澆筑層頂部，長度約為1.2 m，深1～2 mm(圖2)。經現場初步判斷，是支撐梁結構對新澆筑混凝土的溫度場和溫度應力場產生較大影響所致。

圖1船閘閘室及支撐梁結構(尺寸：mm； 高程：m。下同)

圖2 閘室裂縫

2 溫控仿真計算參數及模型

2.1 氣溫

船閘所在流域屬于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫較高，氣溫年變幅較小。當地氣象統計資料顯示，流域多年平均氣溫21.7 ℃，最熱為7月，平均氣溫25.8 ℃，最冷為1月，平均氣溫18.4 ℃。

2.2 混凝土熱力學參數

閘室混凝土熱力學參數見表1和表2。

表1 混凝土力學參數

表2 混凝土熱學參數

注：a為水化熱達到一半時的齡期。

2.3 有限元模型

支撐梁連接在基坑兩端，但在建立模型時對支撐梁做截斷處理。在計算溫度場時，截斷處以外的支撐梁對新澆筑混凝土的溫度場的影響較小，而在應力場的計算中，將支撐梁截斷處視為全約束邊界條件。有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型

3 裂縫成因分析

在已澆筑3個多月的閘室邊墻輸水廊道層上澆筑閘室空箱層。澆筑溫度為30 ℃，空箱結構層采用懸臂式鋼模板，澆筑后7 d拆模，不采取通水及保溫措施。

3.1 特征點選取

船閘閘室空箱層仿真計算以單節閘室為研究對象，因裂縫全部出現在支撐梁上部，故選取位于支撐梁上部的空箱側墻的內外特征點，特征點距離支撐梁頂面0.23 m，其中表面點位于側墻表面，內部點距側表面0.6 m。典型截面選取中部縱截面。特征點見圖1b)。

3.2 溫度場和溫度應力場分析

閘室空箱支撐梁上部內外特征點溫度歷時曲線見圖4，溫度結果統計見表3。表面點散熱條件好，最高溫度出現齡期早，在混凝土澆筑后1 d即達到最高溫度35.67 ℃；內部點散熱條件差，最高溫度出現的齡期稍晚，在齡期2 d達到最高溫度49.35 ℃；特征點內外溫差在澆筑后2.5 d達到最大，為16.02 ℃，溫度梯度達到26.70 ℃m。

圖4 支撐梁上部特征點溫度歷時曲線表3 30 ℃澆筑下特征點溫度

特征點最高溫度∕℃出現齡期∕d最大內外溫差∕℃出現齡期∕d表面點49.35216.022.5內部點35.671

閘室空箱支撐梁上部內外特征點溫度應力歷時曲線見圖5。從圖5可以看出，在空箱混凝土澆筑初期，表面點的拉應力迅速增長，在齡期2.5 d即達到最大拉應力。原因在于，由于空箱側墻表面的散熱條件較好，混凝土澆筑后表面點的溫升幅度遠小于內部點的溫升幅度，產生較大的內、外溫差以及溫度梯度，由此產生的內外變形約束使空箱側墻表面產生拉應力，外加支撐梁老混凝土的強約束作用，導致表面點的拉應力迅速增加。

圖5 支撐梁上部特征點溫度應力歷時曲線

采用抗裂安全系數對混凝土開裂可能性進行量化，而關于水運工程施工期溫控抗裂安全系數的最小值取值問題，在JTS 202-1—2010《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》中對此規定為1.40。該方案下的溫度應力結果如表4所示。

表4 30 ℃澆筑下特征點溫度應力

由表4可知，空箱側墻表面拉應力在早期迅速增長，在齡期2.5 d即達到最大拉應力1.24 MPa，而此時混凝土的抗拉強度還很低，使得表面點的抗裂安全系數很小，最小值為0.98，在拆模前就產生起裂于支撐梁上部，并且向上發展至該澆筑層頂部的豎向表面裂縫。因此，須進一步加強溫控措施，避免早期混凝土表面裂縫的產生和發展。

4 裂縫分布規律分析

4.1 特征點選取

裂縫分布如圖2所示。為了分析裂縫的分布規律，選取位于支撐梁上部的空箱側墻表面特征點，特征點分布在3道支撐梁上方以及兩側，特征點見圖6。

圖6 特征點位置

4.2 溫度應力場分析

由圖7可知，空箱側墻表面拉應力分布呈現出明顯的不均勻狀態。空箱側墻表面在支撐梁上方出現應力峰值，左右兩側支撐梁上部應力峰值出現位置更靠近支撐梁邊緣，中間支撐梁上方應力峰值位置出現在正上方，2根支撐梁中間部位的最大拉應力較小，可以看出支撐梁對上部混凝土的約束作用較強。閘室空箱會在側墻自身的內外變形約束以及支撐梁的強約束作用下出現起裂點，其位置在支撐梁上方且向上延伸至表面形成裂縫。這與觀察到的施工期閘室空箱開裂現象相吻合。

圖7 特征點最大拉應力分布

5 防止產生溫度裂縫的溫控方案

在原有澆筑方案下，閘室空箱支撐梁上部在內外溫差和支撐梁強約束作用下會產生表面裂縫，為保證空箱混凝土的抗裂安全，需要采取更為有效的溫控措施。經分析，考慮在原溫控方案的基礎上降低澆筑溫度至26 ℃，同時計算不通水、通水以及通水+保溫3種方案。通水方案中在第1層空箱頂部埋設1層冷卻水管，采用PE管通水，水平間距1.5 m，管長60 m，通水時間5 d，冷卻水溫20 ℃，通水流量1.2 m3h。保溫方案中在鋼模板外貼1 cm厚泡沫塑料保溫板進行表面保溫，拆模時間仍為7 d。

26 ℃澆筑時，3種方案下閘室空箱支撐梁上部特征點的溫度與溫度應力結果分別如表5、6所示。

表5 26 ℃澆筑下特征點溫度

表6 26 ℃澆筑下特征點溫度應力

計算結果表明，當澆筑溫度由30 ℃降低至26 ℃時，內部點的最高溫度降低了2.27 ℃，最大內外溫差由16.02 ℃減小到14.58 ℃，表面點的最大拉應力下降，最小抗裂安全系數提高至1.10，但仍不滿足1.40的抗裂安全系數要求。水管冷卻能夠有效地降低混凝土內部溫度和內外溫差，當在26 ℃澆筑的基礎上采取通水措施時，特征點的最大內外溫差減小到13.37 ℃，表面點早期的最大拉應力降低到1.01 MPa，最小抗裂安全系數提高至1.20，也不滿足要求。當采取表面保溫和內部水管冷卻相結合的溫控措施后，閘室側墻早期的最大內外溫差顯著減小，僅為7.74 ℃，相較于30 ℃澆筑時，降幅達到51.7%，因此空箱側墻表面拉應力顯著減小，表面點的最小抗裂安全系數提高至1.40，滿足溫控防裂要求。

此溫控方案在后續施工中應用，施工中進行局部通水冷卻，在空箱頂部埋設了1層冷卻水管，實測通水水溫在20～22 ℃，通水時間為5 d。同時，在鋼模板外貼1 cm厚的泡沫保溫板，在澆筑后7 d拆模。此外，混凝土生產過程中采用遮陽以及預冷骨料降低澆筑溫度，實測澆筑溫度較推薦澆筑溫度稍高，達27～28 ℃。經計算，此時表面點的抗裂安全系數為1.34～1.37，雖然小于規范要求的數值，但僅相差2.1%～4.3%。經現場檢查未發現裂縫，說明采用表面保溫和內部水管冷卻相結合的溫控措施能達到良好的防裂效果。

6 結論

1)空箱側墻屬于薄壁結構，早期在支撐梁上部出現表面裂縫，一方面是由于混凝土澆筑后過大的內外溫差產生的內外變形約束；另一方面是由于支撐梁對新澆筑混凝土的約束造成的變形不協調，實踐中須采取相應的溫控措施。

2)嚴格控制澆筑溫度，并采取適當的水管冷卻和適時的表面保溫相結合的溫控措施可以減小早期閘室空箱混凝土內外溫差和表面拉應力，特別是表面保溫對于減小早期拉應力的作用最大，能防止表面裂縫出現。