基于LUSAS的混凝土裂縫分析

林易瑤

（四川大學水利水電學院， 成都 610065）

1 工程概況

下凱富峽水電站調壓井位于引水洞末端，阻抗式調壓井，調壓井后接 5條發電洞，調壓井開挖井深133.2m，開挖直徑36m，襯砌后直徑32m。調壓井與發電洞相接處設有事故門和工作閘門。調壓井襯砌，包括阻抗板下部普通模板襯砌、井筒內倒懸襯砌、井筒滑模及調壓井頂部牛腿混凝土施工，設計混凝土8.5萬方，鋼筋6382噸。井壁最大襯砌厚度10.2米。

調壓井頂部主要結構包括大井井壁以及下游牛腿，牛腿底面高程為EL.611.5，調壓井頂部頂面高程為EL.615。調壓井滑模結束高程為EL.610.2。混凝土澆筑方量為3400m3，混凝土標號為C30。調壓井頂部牛腿施工利用滑模平臺作為頂部牛腿部分施工的施工平臺及支撐，牛腿一層澆筑完畢，最高澆筑高度4.8m。

本工程大體積混凝土施工中，采取優化混凝土配合比、采用粉煤灰和減水劑“雙摻”技術以降低水化熱、混凝土冷卻水管物理降溫法降低混凝土內部溫度、混凝土外部保溫等一系列方法避免產生裂縫。

2 裂縫情況

在混凝土澆筑完成，拆除模板后，發現在每個懸空梁的中部均出現了貫穿性的裂縫，單條裂縫總體上為U型，上下游貫穿，裂縫從懸空梁底部延伸至頂部，在距離頂部1.0米-1.9米的位置終止，裂縫寬度在目前能夠測量到的部位實測數據為0.16mm-0.45mm不等，表現為1#及5#門槽寬度較小，3#門槽寬度較大。

3 混凝土澆筑過程仿真分析

3.1 計算軟件

采用 LUSAS土木與結構工程分析軟件進行仿真計算。LUSAS是倫敦大學結構分析系統（London University Structural Analysis System）的簡稱，是世界知名的通用有限元分析軟件。

大量實際工程表明，混凝土結構開裂的主要原因在于超載、早期持荷、溫度收縮、混凝土干縮等[1]。基于LUSAS在早齡期混凝土收縮、溫濕力耦合、非線性開裂分析方面的能力和優勢，本次計算選擇LUSAS軟件進行混凝土施工過程仿真模擬，分析裂縫產生過程和原因。

3.2 計算方法

采用LUSAS建立有限元模型，建模思路為：先利用坐標點構建簡化后的模型特征控制點，進一步通過點構造線型和面域。在面域基礎上，利用掃略、拉伸、布爾運算等操作構建實體模型。對于整個調壓井混凝土澆筑塊體進行簡要分析后，選取最危險結構體分析，即選取有閘門槽的部分來建模分析。考慮到整個施工持續接近60小時，因此建模時將模型拆分為4個部分：施工階段1、施工階段2、施工階段3、基礎混凝土結構。

3.3 仿真計算結果

下述結果中的特征點選取為形變最大處周圍和模板接觸的點。

圖1 最大裂縫特征點的溫度-時間變化圖

圖2 特征點的應力-時間變化圖

圖3 最大裂縫特征點的變形-時間變化圖

4 結果分析

整個澆筑過程到養護后，澆筑完畢1天左右，內部溫度達到最大值，最高溫度為55.5℃，分布于大體積混凝土的中部。變形裂縫最大為3.27mm，分布在懸空部分的中部。同時在大體積混凝土后部，也出現了約1.5mm的裂縫。

結合應力分布圖和形變圖可以發現：從第1.5天開始，懸掛部分即最大裂縫斷面局部開始出現了較大拉應力，且呈遞增趨勢，到3.5天左右達到最大值。具體為 1.57Mpa（1.5天）、1.75Mpa（2.0天）、2.03Mpa（2.5 天）2.06Mpa（3.0天）。根據圖2可以看出，從3.5天以后，隨著裂縫擴大，應力得以釋放，后續應力持續降低。最大裂縫點局部裂縫持續擴大，到 28天左右趨于穩定。結合溫度圖和裂縫圖可以發現：裂縫最大區域的溫度最大值為41℃，在澆筑完畢1.5d左右到達最大，其后溫度一直處于較低水平。而在溫度最高點的混凝土底座部分，裂縫卻幾乎沒有產生。由此可以初步推斷：裂縫的產生不僅僅與養護時的混凝土內部溫度有關，其與結構體本身的特征也息息相關，由于大體積混凝土收縮，同時混凝土為整體環狀結構，兩端基座約束較大，從而造成中部拉應力較大而形成裂縫。本部位設計體型較大，鋼筋分布較密，建議采用化學灌漿等方式進行加固處理，保障運行期間內的結構安全，在上部門機試運行階段加強對牛腿結構的觀測和監測。

5 結語

為預防混凝土結構裂縫更多的出現，也應在混凝土結構設計、施工材料控制、施工過程控制等方面注意更多。在混凝土結構設計中，要注重工程的結構穩定性，審查分析工程受力分析合理性；在施工材料控制上，要以混凝土施工材料控制作為重點，通過材料管理及控制方案落實選擇高質量符合工程需求的施工材料及合適的混凝土材料混合比[2]；在施工過程中，應保證材料振搗的密實均勻并分層澆筑，保證模板支撐的穩定性，控制各工序進行。