航道護坡拱圈施工溫度約束應力分析

夏微 曹洋 江蘇中泰建發集團有限公司

在航道護岸結構中，為保持護坡長期穩定，其中的泥土不易被雨水輕易沖刷流走，常使用混凝土連拱護坡，且在連拱內側的回填土上種植觀賞植物，在其外側現澆混凝土，而拱圈為預制構件。基于上述情況，在拱圈內側有護坡回填土壓力載荷，在其外側也有現澆混凝土的受力載荷。在實際施工中，預制拱圈最大的病害就是開裂，開裂有宏觀開裂和微觀開裂，而微觀裂縫是指混凝土內部各向異性的非均質復合材料，導致混凝土終凝時水泥石收縮大，但是骨料收縮小產生的黏著裂縫。為保證拱圈的抗裂性，就需要分析其結構剛度及其約束條件。由于混凝土澆筑后在水泥的水化熱作用下，澆筑體在模板的約束下其內部溫度急劇上升，此時混凝土的彈性模量比較小，徐變比較大，溫度升高引起的壓應力并不大，但是隨著后期混凝土溫度逐漸降低，彈性模量增大，混凝土徐變變小，在基礎約束作用下混凝土內部收縮產生相當大的拉應力，有產生裂縫的趨勢。因此，在工程施工中，應高度重視混凝土施工溫度約束應力的影響。

1.護坡拱圈施工溫度場

混凝土施工從流體狀態到終凝狀態，包括后期養護，直到合格構件，與許多約束條件有關，其中溫度場的影響是很重要的因素。施工溫度場是指施工溫度與時間和空間的函數，溫度場有瞬態和穩態之分，而溫度在隨著時間變化才會產生溫度應力及其由此產生的裂縫趨勢。由于混凝土澆筑開始時呈流體狀態，存在約束應力很小可忽略不計，如不添加防凍劑等材料，則混凝土在澆筑10小時后會達到終凝狀態。在水泥的水化熱作用下，混凝土從流體狀態到終凝狀態，其內部溫度變化而產生的應力，可用以下方程表示。

式（1）中，t時刻Tβ? 為混凝土溫度變化產生的應力，構筑體會產生一定收縮率，β與外加劑有關，T? 為任意時刻混凝土施工溫度與計算初始時刻對應的流體狀混凝土溫度的差值；t時刻1ε為構筑物對混凝土因約束作用產生的約束綜合應變；t時刻2ε為實際測量值。

相比于其他構件，預制拱圈厚度尺寸較小，所以混凝土的模板內外溫差可以忽略。由于施工環境溫度變化的影響，會引起混凝土收縮率的變化，所以在計算中可以用收縮率當量表示施工溫度場的作用情況。在考慮施工溫度約束條件下，混凝土在任意時刻的方程式如下式所示。

式（2）中，?y(t)為t時刻，混凝土的收縮值；為標準工況下混凝土的極限收縮值，一般取值3.24×10-4；b為經驗 系數，一般取值0.01；M1M2???Mn表示在非標準工況下的施工環境因子修正系數。

根據公式（2），考慮溫度場與收縮率的相關性，則混凝土的收縮當量溫差之間的關系如下式所示。

式（3）中，α為混凝土的線膨脹系數，一般取值10-5/℃。

2.護坡拱圈施工設計

本項目部秦淮河航道護坡拱圈使用的混凝土等級為C25，設計強度達到25 MPa，塌落度140±20 mm，外加劑型號為SBTJM-10且參量為1.2%，混凝土水膠比為0.61，拱圈施工效果如圖1所示，外側為現澆混凝土，其伸縮縫為每11.6 m設置一道，伸縮縫材料為聚乙烯板，拱圈內側回填種植土用來綠化。為便于研究，本文選取典型拱圈圓弧段設計截取如圖2所示，為混凝土C25預制塊，施工中采用鋼模預制，達到一定養護期進行拆模，按照施工設計要求7d強度達到25.8 MPa，28d強度要達到38.7，抗凍抗滲等級大于等于8。

圖1 拱圈施工效果

圖2 拱圈圓弧段幾何模型

3.拱圈有限元分析模型

航道護岸混凝土拱圈在施工中，由于鋼模比木模散熱快，混凝土內部溫度變形能量釋放與邊緣部分相比，存在散熱不均衡現象，形成施工溫度場對拱圈預制塊有開裂風險和剛度降低影響。本文采用ABAQUS有限元分析軟件，研究的拱圈有限元網格模型如圖3所示，該圖模型下底面支撐于回填壓實土上，其左右側面連接拱圈相應部分，其余面懸空，未配鋼筋。

圖3 有限元網格模型

4.拱圈施工溫度應力分析

在運用有限元計算中，對拱圈混凝土施工模擬降溫過程，隨著拱圈高度的增加，拱圈鋼模和夯實土層面對混凝土的約束條件下散熱緩慢變化，當混凝土拱圈由于降溫作用而產生變形，并且由于鋼模和夯實土層的約束作用，而不會讓混凝土自由變化時，則會在拱圈內產生溫度應力，進一步的當其溫度應力大于混凝土的齡期抗拉強度的情況下，拱圈就會產生微觀裂紋進而導致明顯開裂風險。

在運用ABAQUS有限元分析中，選用與拱圈混凝土材料為Concrete Damaged Plasticity，設置邊界最大應力為7d齡期混凝土抗壓強度為1.44 MPa。在溫度場影響下的有限元計算后的應力云圖，如圖4所示，其中圖4a為拱圈模塊的總應力圖、圖4b為拱圈模塊的第一主應力云圖、圖4c為拱圈模塊的第三主應力云圖。從圖4a中可以看出，隨著溫度降低過程，在靠近夯實土層面的混凝土應力大于頂部，且由于在夯實土層的約束下，達到抗拉強度。當隨著拱圈混凝土澆筑不斷增高時，從圖4c中可以看到，拱圈混凝土受到模板約束的剛度不斷增大，而且拱圈中的溫度應力整體升高。從圖4b中可看出，拱圈的頂部和底部的角應力分布規律與圖a比較，已發生明顯變化，即角應力區域有增大的趨勢，達到齡期混凝土抗拉強度的區域在增多。這也印證了在大量工程實例中，如文獻所表述出現的板角溫度裂縫多為 45°貫穿斜裂縫，以及沿板邊出現且平行于長邊的裂縫。

圖4 溫度場影響下的應力云圖

為了進一步分析模型在拱圈高度改變的條件下，文中所選擇的拱圈高度參數來源于秦淮河航道施工圖要求，研究鋼模預制拱圈的溫度應力伴隨拱圈設計高度的分布規律，以期在今后的施工工藝中加以改進。結合圖4b拱圈模型的第一主應力云圖，對于模型角第一主應力進行增長記錄得到圖5所示，為拱圈模型角頂和角底應力達到齡期素性混凝土抗拉強度。這在實際施工中，如不采取防范措施，很容易出現貫穿性裂縫風險。從圖6中可以看出，在施工溫度場影響下，第一主應力隨著模型圓弧長的增加，有減少的趨勢，但是在接近終端時，應力有增大的變化，與最小值比較增加了7%，但是總體上應力變化呈現“浴盆曲線”狀態。

圖5 模型頂面應力曲線

圖6 模型底面應力曲線

5.溫度場應力分析數據在施工中的應用

由于施工時除了溫度場作用以外，還有滲流場、構件本身收縮引起的結構場等多場耦合作用，但是在模板約束下的混凝土溫度場引起的裂縫，對于拱圈混凝土預制構件來說，其影響是最大的。該模型有限元分析數據，在秦淮河航道治理護坡分項工程中，得到充分運用，減少了拱圈齡期裂縫，從而提高了拱圈合格率。此外，該研究成果數據，除了在澆筑拱圈構件得到應用，還應用到護坡格埂澆筑，格埂是用來定位護坡高程、護坡角度，格埂又分為素砼格埂和鋼筋砼格埂，其澆筑施工工藝控制與拱圈澆筑相同，所以本文施工溫度場對拱圈混凝土約束應力規律對格埂施工具有借鑒作用。

對于航道護坡的縱向格埂澆筑施工來說，相當于超長混凝土結構中進行分塊澆筑，通常會有先澆筑塊體和后澆筑塊體之分。先澆筑的縱向格埂混凝土塊體只受到底部一個接觸面的約束，且底部為回填土分層夯實，所以混凝土自由變形釋放能量最大，用該文有限元施工溫度場分析數據作為支撐，但是隨后澆筑的縱向格埂后澆塊塊體受到除了底部接觸面的約束外，還應考慮先澆塊體混凝土側面的約束影響。吳偉[5]結合理論分析與試驗數據曲線分析，得到后澆塊的峰值位置位于相鄰界面與塊體中心位置之間，但是當間歇時間很短，后澆塊峰值位置位于相鄰界面；此外，當施工間歇時間較長，后澆塊收縮應力峰值位于塊體中心。因此，限于本文所研究的對象的選擇，以期未來將加強航道護坡混凝土構件的有限元分析如格埂、踏步坡道、堤頂U型槽等與實驗室數據分析對比研究。

6.結論

航道整治施工公里數長，其中護岸結構施工是一項非常重要的分項工程。為強化構件施工質量，對于護岸中的拱圈施工，本文采用有限元分析方法獲得了拱圈混凝土成形溫度應力對拱圈高度的影響數據，以供本項目部后期拱圈施工時運用。本文通過對護岸拱圈混凝土成形溫度應力的研究，得到如下結論。

（1）隨著拱圈高度的增加，成形混凝土溫度第一主應力也隨之增長。

（2）成形混凝土溫度第一主應力隨著成形增加長度值，第一主應力有降低的趨勢，但臨近成形長度施工終端時，有升高的發展方向。

（3）由于拱圈模型底部存在回填土夯實層的約束，成形混凝土溫度第一主應力有增大的發展趨勢。

綜上所述，通過對拱圈混凝土成形的溫度應力分析，在后期對拱圈施工中既要采用預防明顯裂縫工藝措施，更要采取防止構件內部的微觀裂紋而科學施工。