（工程力学专业论文）沉管隧道管段施工期温度应力仿真分析研究.pdf

摘要 沉管隧道管段预制时冈温度、干缩等因素变化引起的裂缝会严重地危害沉管隧道的水密 性、安全性和耐久性。为此，必须进行温度、裂缝控制设计以减少或消除影响隧道安全运营 的有害裂缝。管段的温度和裂缝控制设计达到防止有害裂缝产生的依据是温度徐变应力小于 各龄期的抗拉强度。冈此，开展管段施 j 册温度场和温度徐变应力场仿真分析的研究具有重 要应用价值。 本文以弓。波常洪隧道为i l ：穰背景，研究了求解管段施：l ：期非稳态温度场和温度徐交应力 场的计算方法。提出了一个适合丁求解_ 1 卜稳态温度场的稳定性较好的有限元直接积分法，一 个适合丁求解水管冷却问题的有限元子结构法及一个基_ 丁1 卜线性弹性理论、线性徐变理论和 初虑变法的增量型有限元法。基于上述理论幕l 方法，编制了一个仿真分析软件，该软件能够 模拟脆i ：过程，即各浇筑层弹性模量、徐变度、绝热温升之间的差异，以及混凝十弹性模餐、 徐变度、绝热温升、初始温度、环境温度、表面放热系数、水管冷却参数等冈素的变化。用 该软件计算了常洪隧道某管段施 ：期温度场和温度徐变应力场。得到了它们的时空变化规 律。本文还研究了水管冷却、冷却高度、冷却水流越、停歇浇筑时间等冈素对温度场和温度 徐变应力场的影响规律。简单介绍了仿真分析软 ，l ：的组成、功能矛使用。 针对混凝土热力学性能指标的影响冈素，提出了有关混凝十热力学性能指标的经验公式 以及估算混凝土热力学性能指标的计算公式。 最后，在定性分析温度裂缝、干缩裂缝产生的机理的基础上，从原材料的选取、j j i j 警措 施、施i ：监洲与管理笛儿个方面提出了管段预制时温度和于缩裂缝控制的综合措施。 通过以上研究，使求解1 卜稳态温度场、水管冷却作用f 的t t 稳态温度场和温度徐变应力 场的计算理论得剑了进一步完善。利州本文开发的仿真分析软件可以解决管段施：j ：期非稳态 温度场和温皮徐变应力场的计算问题。仿真计算结果表明。水管冷却对丁防止底扳底部产生 贯穿性裂缝的效果是明显的，施：一i ：参数、徐变皮、弹性模鼓等对温度场和温皮徐变应力场均 有一定程度的影响 关键词沉管隧道：水管冷却；应力场：温度场；弹性：非线性；非稳态；徐变：仿真分 析；有限元；子结构法： a b s t r a c t w h e nat u b es e c t i o ni sp o u r e dc r a c k sb r o u g h to u tb yt e m p e r a t u r ea n dd r yc o n t r a c tv a r i a t i o n e x t r e m e l yd oh a r mt ot h ew a t e r p r o o f , s a f e t ya n dd u r a b i l i t yo fi m m e r s e dt u b et u n n e l s f o rt h i s ， t e m p e r a t u r ea n dc r a c kc o n t r o ld e s i g nm u s tb ec a r r i e do u ti n o r d e rt or e d u c eo re l i m i n a t e d e t r i m e n t a lc r a c k sd o i n gh a r mt os a f e t yr u no ft u n n e l s t e m p e r a t u r ea n dc r a c kc o n t r o ld e s i g nc a r l a r r i v ea ts t o p p i n gs t r i c tc r a c k sf r o mh a p p e n i n gi st h a tt e m p e r a t u r e c r e e pt e n s i l es t r e s sd on o tr e a c h t h et e n s i o nl i m i ta ta l lt h ea g e t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho ns i m u l a t i n ga n a l y s i so ft e m p e r a t u r ef i e l da n d t e m p e r a t u r e - c r e e pf i e l du n d e r c o n s t r u c t i o ni so fi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n c a l c u l a t i o nm e t h o d st os o l v en o n - s t e a d ys t a t et e m p e r a t u r ef i e l d sa n dt e m p e r a t u r e - c r e e ps t r e s s f i e l d su n d e rc o n s t r u c t i o na r es t u d i e db a s e do nt h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do fc h a n g h o n gt u n n e l ， n i n g b o af i n i t ee l e m e n td i r e c ti n t e g r a lm e t h o df i tf o rs o l v i n gn o n - s t e a d ys t a t et e m p e r a t u r ef i e l d w h o s es t a b i l i t yi sb e t t e r , af i n i t ee l e m e n ts u b s t r u c t u r em e t h o ds u i t e df o rs o l v i n gw a t e rp i p ec o o l i n g p r o b l e m sa n dai n c r e m e n t t y p ef i n i t ee l e m e n tm e t h o do nb a s i so fn o n l i n e a re l a s t i c i t y , l i n e a rc r e e p t h e o r ya n di n i t i a ls t r a i nm e t h o da r ep u tf o r w a r d as i m u l a t i n ga n a l y s i ss o f t w a r e ，w h i c hi sa b l et o s i m u l a t ec o n s t r u c t i o n p r o c e s s ，s a y i n g ，d i f f e r e n c ea m o n ge l a s t i c i t y , c r e e p a n dh y d r a t i o n t e m p e r a t u r er i s eo fd i f f e r e n tc o n c r e t el a y e r s ，v a r i a t i o n so fe l a s t i c i t y , c r e e p ，h y d r a t i o n ，i n i t i a l t e m p e r a t u r e ，a m b i e n tt e m p e r a t u r e ，s u r f a c eh e a tr e l e a s ec o e f f i c i e n t , c o o l i n gp a r a m e t e r so faw a l e r p i p ea n ds oo n ，i sp r o g r a m m e d t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt e m p e r a t u r e c r e e ps t r e s sf i e l do f at u b e s e c t i o nf o rc h a n g h o n gt u n n e lu n d e rc o n s t r u c t i o ni sc o m p u t e r i z e du s i n gt h ea b o v es o f t w a r e ，t h e i r t i m e s p a c ev a r i a t i o ni so b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，t h a tw a t e rp i p ec o o l i n g ，c o o l i n gh e i g h t , c o o l i n g w a t e rf l o w q u a n t i t ya n dc a s t - s t o p p e d t i m eh a v i n gt h ee f f e c to nt e m p e r a t u r ef i e l da n d t e m p e r a t u r e - c r e e pf i e l da r ei n v e s t i g a t e d t h eo r g a n i z a t i o n ，f u n c t i o n sa n du t i l i t i e so ft h ea b o v e s o f t w a r ea r ei n t r o d u c e di nb r i e f 、 e f f e c tf a c t o r sw i t hr e l a t i o n t ot h e r m a l m e c h a n i cp r o p e r t i e sf o rc o n c r e t ea r es t u d i e d t h e e m p i r i c a lf o r m u l a ef o rt h e r m a l - m e c h a n i cp r o p e r t i e so fc o n c r e t ea n dt h ec a l c u l a t i n gf o r m u l a et o a p p r a i s et h e r m a l - m e c h a n i cp r o p e r t i e so fc o n c r e t ea r ea d v a n c e d c o m p r e h e n s i v em e s s a g e so ft e m p e r a t u r ea n dd r y s h r i n kc r a c kc o n t r o la r er a i s e df r o mc h o o s e o fc o a r s em a t e r i a l ，e n g i n e e r i n gm e s s a g e ，c o n s t r u c t i n gm o n i t o ra n dm a n a g e m e n tw h e nt h et u b e s e c t i o ni sp o u r e do nb a s i so fq u a li t a t i v e l ya n a l y z i n gm e c h a n i s mo fp r o d u c t i o no ft e m p e r a t u r ea n d d r y s h r i n kc r a c k s t h r o u g ht h ea b o v es t u d i e s ，t h ec a l c u l a t i o nt h e o r i e st os o l v en o n - s t e a d ys t a t et e m p e r a t u r ef i e l d i n c l u d i n gw a t e rp i p ec o o l i n ge f f e c ta n dt e m p e r a t u r e - c r e e ps t r e s sf i e l di sf u r t h e ri m p r o v e d t h e c a l c u l a t i o np r o b l e mo ft e m p e r a t u r ef i e l d sa n dt e m p e r a t u r e c r e e ps t r e s sf i e l d sf o rat u b es e c t i o n u n d e rc o n s t r u c t i o ni ss o l v e d t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to fw a t e rp i p ec o o l i n gu s e d i np r e v e n t i n gs l a bb o r o mf r o mp r o d u c i n gt h r o u g hc r a c k si sm a n i f e s t ，a n dt h ef a c t o r si n c l u d i n g c o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r s ，c r e e p , e l a s t i c i t y h a v ea ne f f e c to n t e m p e r a t u r e f i e l d sa n d t e m p e r a t u r e - c r e e ps t r e s sf i e l d s k e y w o r d si m m e r s e d t u b et u n n e l ；w a t e rp i p ec o o l i n g ；s t r e s sf i e l d ；t e m p e r a t u r e f i e l d ； e l a s t i c i t y ；n o n l i n e a r ；, n o n - s t e a d ys t a t e ；c r e e p ；s i m u l a t i n ga n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； s u b s t r u c t u r em e t h o d 同济人学申请博l 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 沉管隧道概况 近年来，我国经济的快速增长，带动了 ：业、交通及市政工程建设等方面的迅猛发展， 连接主要交通干线的穿越江河或海湾的水底隧道建殴也日益发展起米。在我国火陆，刚沉 管法己建成了珠江隧道、甬江隧道、f j 。波常洪隧道和上海外环线泰署路隧道最近已通车。 目前，水底隧道的施：l 方法主要有：盾构法、隅堰明挖法嗣i 沉管法。盾构法施：l ：一般 适用于软t 地层：围堰明挖法是一种较经济的施工方法，但同堰明挖法施工对水路交通干 扰很大，常常难以实施；沉管法是建设水底隧道的主要施工方法之一。沉管法隧道优点比 其它施 ：方法多。如其设置深度可以浅到无船舶影响的程度，长度与盾构法隧道的& 度相 比要短，施工缝也比盾构法隧道少得多，地质水文条件适应性强，：1 ：程总投资少。所谓的 沉管法施工是，先在隧址附近的干坞内预制管段，将预制好的管段采朋临时隔墒封闭，然 后将此管段浮运至规定的f ：) = 置，此时已丁隧址处预先挖好个水底基槽。待管段定位斤， 向管段内滚水、压载，使其卜沉到设计位置，将此管段与相邻管段在水下对接，并经过基 础处理，最后回填覆十，即成为水底隧道。 h j 沉管法建设水底隧道的历史可以追溯剑上世纪初。美国丁1 9 1 0 年建成穿越底特律河 的密歇根中央铁路隧道：1 9 1 4 年建成穿越哈柴姆河的纽约地铁隧道；1 9 2 8 年建成位丁加利 福尼弧州奥克兰和f 口j 拉荚达之间的第一座钢筋混凝土沉管隧道：1 9 3 0 年建成连接美国底特 律_ 手i i 加拿人温特索的公路隧道，外表里八边形，这种体形的钢壳隧道席米流行于北美。仅 美国境内，在最近5 0 年内已建成2 0 座钢壳沉管隧道其中最k 的楚1 只金山的穿湾隧道 ( t r a n s b a yt u n n e l ) ，其沉管基槽最深处位于海平面下4 1 m ，沉管段全长5 8 k m ：晟人的 是巴尔的摩市的祸特一麦克亨利隧道，全宽5 3 3 m ，高1 2 8 m ，分4 孔，总共8 个车道。在欧 洲，第一座沉管隧道一马斯隧道( m a a st u n n e l 。1 9 3 7 - 1 9 4 3 ) 是第一座矩形断面钢筋混凝士 沉管隧道，位予荷兰鹿特丹市。于1 9 6 9 年建成的位于比利时安特卫酱市的沉管隧道宽约4 8 m 。 高l o m ，可川作2 条3 币道公路，一条舣午道铁路。自马斯隧道建成至1 9 8 6 年底。欧洲共建 成2 4 座钢筋混凝十沉管隧道，其中荷兰就l i j 了半罐。我国香港白上世纪7 0 年代以来相 继建成了4 座海底沉管隧道。台湾丁1 9 8 4 年在高雄港内建成了l 座。中国人陆从上世纪9 0 年代开始，采用沉管法先后在广州平j2 波分别建成珠江隧道、甬江隧道和常洪隧道。连接 上海浦东与浦西的泰和路沉管隧道刚刚建成 沉管法隧道有钢壳式隧道和钢筋混凝土式隧道圳两大类钢壳隧道又可分为单层钢 壳和双层钢壳单层钢壳隧道的钢壳通常采用1 0 肌m 厚的钢板焊接而成，既作为管身的永 久防水层又作为承力构件钢壳内侧设置加劲系统，施工时钢壳皆作浇捣内衬钢筋混凝士 闯济大学申请博士学位论文第一束绪论 的外模。混凝十浇筑后形成钢混凝十组合结构。就x 义层钢壳隧道而言，其内层钢壳常 用8 m m 厚的钢板焊接而成，加劲系统布置予内层钢壳的外侧，其内侧荇衬以钢筋混凝土。 外层钢壳常用6 m m 厚的钢板焊接。管顶不封f j j ，以便导罐混凝土充填内外层钢壳尖的空隙。 内壳连同内衬钢筋混凝土形成与单壳类似的钢混凝十组合结构。无论单层还是双层钢 壳隧道。其截面皆为圆形，能容纳的7 f 道数虽多为2 。钢筋混凝十式隧道是指钢筋混凝十管 段一般在接近隧址的干坞或临时的预制场内制作。破坞充水使管段上浮，拖运至安装地点 沉放、对接及同填覆土。管段预制时，为了防止外面的水通过混凝十结构内部裂缝流入隧 道，采取在管段外侧加薄膜的方法。上世纪6 0 年代以前，最初在管段的外表面全部采川钢 板作为防水层。如世界上第一座钢筋混凝土沉管隧道一一美国波斯隧道( p o s e y t u n n e l ，1 9 2 8 ) ，后来。为了减少：l ：科投资，特别是钢材短缺的国家，在侧墙的外表面和顶 板上表面改用廉价的钢玻璃纤维沥青，如欧洲第一座沉管隧道一荷兰马斯隧道。随着温控 防裂水平和混凝十浇筑质簧的提高，到了上世纪6 0 年代末以后，钢筋混凝十管段水密性是 依靠管段混凝十自身浇注质量得以保证的。第一座采1 = j 管段自身防水殴计的是弗拉克隧道 ( v l a k et u n n e l ，1 9 7 2 - 1 9 7 5 ) 由丁这种设计方法具有钢材耗鬣少、造价低等优点，很快 得到了钢材短缺的欧洲各国、日本及我国的青睐。距今为1 ，在荷兰采川管段自身防水设 计的沉管隧道共有l l 座，在我国珠江隧道、甬江隧道、常洪隧道及上海泰和路隧道都是运 川这种方法设计的。钢筋混凝十沉管的截面形式是灵活多样的，有八角形和矩形，车道数 达2 以上。甚至达到了8 。 与钢壳隧道相比，钢筋混凝土隧道的优点主要体现在如下儿方面：( 1 ) 钢筋混凝十隧 道的横断面形状一股做成矩形，也可以做成其它形状，孔道数为2 到4 个。印道数可以是2 以上，甚至高达8 。如上海泰剃路越江隧道是一座三孔八印道的公路隧道，其宽度为4 3 m ， 而钢壳隧道的横截面形状只能做成圆形，其车道数最多为2 ；( 2 ) 钢筋混凝土隧道的空间 可埘率要比钢壳隧道的空间可刖率高：( 3 ) 钢壳隧道的路面标高比钢筋混凝七隧道的路面 标高要低。前者比后者艮，这样后者的基槽开挖量相对要小，开挖成本也下降，同时进出 口路面坡度也比钢壳隧道平坦：( 4 ) 钢筋混凝+ 隧道采用管体臼身防水技术，可队1 ，省刚 丁防水层的钢板t 从而使整个二i ：程总造价压得更低。当然建设钢筋混凝十隧道需要准备 制作管段的干坞。干坞的建设费用一般l 。i 整个隧道 ：程总投资的1 0 之多。如果将干坞修建 在地面建筑物和地。卜管线密布的地方，尤其是在城市。减少绒消除井点降水引起地面的不 均匀沉降平i l 移动对地面建筑物和地卜管线产生的变形利破坏还需要一笔额外的开资。不管 如何，钢筋混凝土隧道优势居多，是今后的发展方向。 1 2 本文研究重点 众所周知钢筋混凝土管段从浇筑第一方混凝土至管段拖运出坞之前，会承受程度不 同的温变载荷( 或称为温度载荷) 在混凝土的凝结硬化过程中。水与水泥发生的水化反 2 同济人学申请博：l 学位论文 第一章绪论 应会产生随时问变化的水化热，使混凝十温度升高，同时水化热通过热交换向空气介质和 地表层散发因此，混凝十四各点温度变化是一个先快升后慢降过程，其空间分布是一个 内高外低的非均匀温度场，内部最高温度可能比混凝土的入模温度高出1 5 - 3 5 0 c 此外 计算温度虑力时通常将混凝十的干缩变形换算成相当予引起同样变形所需的温变载荷在 这两种温变载荷作h j 下，混凝十结构可能会产生裂缝。温变载荷作h j 引起的裂缝称之为温 度裂缝，因干缩变化引起的裂缝称之为干缩裂缝。 温度裂缝是混凝土温度变化引起的裂缝。在混凝士的凝结硬化过程中，水泥会散发出 随时间变化的水化热。冈此，混凝十会因水泥的这种水化热和周围介质发生热量交换而导 致温度场的变化。这种因温度场的变化引起结构内各单元的膨胀或收缩会受到外在约柬以 及内部各单元之间的相互约求_ 丁是产生了温度应力在升温阶段，由于混凝十的早期弹 性模量小、徐变作用大，此时温度压应力很小；在降温阶段混凝十弹性模量己很人，产 生的温度拉应力除了抵消早期压应力之外还残留较人的拉应力值。此外，混凝十的抗拉强 度远小于其抗压强度。一般为其抗压强度的1 l o 。因此在降温过程中，混凝士内产生的 温度拉应力很可能超过了混凝+ 的极限抗拉强度或极限拉伸应变，就会产生温度裂缝。 千缩裂缝是在混凝土硬化过程中的水分逐渐蒸发，随着湿度的降低。混凝十体积减少 而产生的收缩，其收缩量- 混凝十整个收缩量的绝火部分。如新浇混凝十养护不及时，义 受风吹日晒，表面混凝十水分散失过快，体积收缩相对较大，而内部湿度变化小，收缩也 小因而表面混凝土收缩交形受到内部；昆凝十的约求，此时表面混凝十强度冈爪分不充分 而增长缓慢，不足丁抵抗干缩拉应力于是在混凝土表面便产生干缩裂缝。 除了上述两种裂缝之外，还有一种裂缝，即管段与管段之间的接头裂缝。接头裂缝是 由接头结构质量筹或者所采取的技术措施不当造成的。以下研究前两种裂缝。 根据裂缝的深浅、宽度。可以将上述裂缝分为贳穿裂缝、深层裂缝和表顽裂缝。这些 裂缝对钢筋混凝士沉管产生一系列不利影响，概括如下： 危害之一：贳穿裂缝改变了结构的受力模式，降低了结构的整体稳定性，从而使结构 的承载能力受到威胁。即使是一般的表面裂缝对混凝土结构的耐久性也是有害的。运行期 温度应力与结构应力迭加之后的应力有可能超过极限强度或者进步开裂为深层裂缝， 甚至成为危害性更大的贳穿裂缝。 危害之二：贯穿裂缝成为水从钢筋混凝十沉管结构本身流入隧道内的通道，严重时会 影响隧道的正常使用。 危害之三：由于裂缝的存在，水顺着裂缝到达钢筋附近，使钢筋生锈，削弱钢筋的作 埘，缩短了隧道的使用寿命 危害之四：温变载荷作刚降低了结构的安全度。使结构在荷载作用下的裂缝展开更宽、 更深，在偶然荷载( 地震) 作用下易于破坏。 鉴于上述原因，国内外在钢筋混凝土管段施工期温度应力理论分析和温控防裂措施方 3 同济大学申请博上学位论文 第一章绪论 面都给予高度重视。沉管法隧道技术发达的国家美国、荷兰、日本等国家都做了火量 的理论研究和实验研究。我国起步较晚，通过自行设计和建设的珠江隧道、甬江隧道年常 洪隧道，在沉管法隧道的温控防裂方面已积累了一些设计、施工经验，但是尚不能做到心 中有数。究其原因是，对钢筋混凝十管段温度应力所进行的理论研究工作还不够深入和全 面主要体现在如下几个方面：( 1 ) 计算时所考虑的因素不够全面。如各混凝士浇筑层或 块之间的浇筑停歇时间，各混凝土浇筑层或块弹性模颦雨i 绝热温升率之间的差异等施1 ：冈 素，许多文献没有考虑实践经验证明，这些施工因素对管段施工 l i 】1 卜稳态温度场及温度 应力场有重要影响。( 2 ) 考虑水管冷却作h j 的1 卜稳态温度场的分析模型与实际情况相差较 大。如有的文献假定水管出口处的水温平从水管进口处到出口处水温按线性分布。有的文 献干脆假定水管内水温恒定不变( 3 ) 温度应力场的计算模型比较简单。一般采用弹性或 刚性基础上梁模型，并用厚度方向上或整个混凝土块的温度平均值来计算温度应力。( 4 ) 人多数文献没有考虑徐变对温度应力的松弛作用，有的文献即使考虑了徐变作用，也只是 采川简化的方法，例如乘以徐变修正系数的方法。 随着钢筋混凝土管段自身防水性能要求的提高。尤其是近年米钢筋混凝十管段向更宽、 更方向发展，温度裂缝和干缩裂缝控制的难度也在增加，开展管段施j l i 期非稳态温度场 和温度徐变应力场的理论研究显得尤为重要。本文通过对钢筋混凝土管段施：j ：期温度场和 温度应力场进行较为全面的、系统的理论分析为温控防裂设计提供科学的决策依据，对于 减少或消灭有害裂缝平i i 危险裂缝的发生，具有重要的理论意义和实际应川价值。 1 3 国内外研究概况 钢筋混凝十沉管隧道包括干坞修建、管段预制、拖运、沉放、对接和基槽开挖及铺垫 等一系列重要环：1 j 。本文的研究重点是有关钢筋混凝土管段施丁：期1 卜稳态温度场和温度徐 变应力场的数值仿真分析及温控防裂措施的研究，下面仅就这两方面的国内外研究情况进 行了阐述。 在国外同绕如何使钢筋混凝士沉管隧道达到其水密性能要求进行了大量研究。钢筋混 凝十沉管隧道产生漏水的途径可能有两条：一条是钢筋混凝十管段内冈温度变化和干缩变 化引起的温度裂缝和干缩裂缝另一条是管段与管段之间的质= 单= 欠佳的接头缝。对于接头 裂缝的防水。目前采刖先进的古娜橡胶止水带( g i n ar u b b e rg a s k e t ) 以及欧米伽1 卜水带 ( o m e g ag a s k e t ) 组成的舣重防水系统，它的防水性能十分理想，基本上做到了“滴水不泌”， 可以说接头缝防水问题已经解决。对钢筋混凝土管段的防水，最初采j h j 外加防水薄模的方 法来解决如世界上第一座钢筋混凝十沉管隧道美国波斯隧道h jl o m m 厚的钢板覆盖在 管段外侧，而在荷兰的马斯隧道因钢板价格的昂贵则在侧墙及顶板外侧改月 i 钢玻璃纤维沥 青。这种外加薄模方法效果还可以。所以它直沿用到上世纪6 0 年代末。目前使用这种方 法的地区大概只有北美白上世纪7 0 年代初之后荷兰隧道设计人员提出了一种无防水薄 4 同济火学申请博士学位论文 第一章绪论 膜的设计思想，这对钢筋混凝十管段白身达到防水能力的殴计和施j i ：提出了一个条件更加 刻、难度更大的课题。为了实现管段臼身防水的目的，最重要的是引入水管冷却技术，即 在侧墙混凝土浇筑前预先在侧墒内埋殴冷却水管，待侧墙混凝土浇筑时从水管进口处通冷 却水以便降低侧墒内部最高温度、内外温差以及底板与侧墙之间的水平施工缝两边的温度 差，从而达到控制侧墒底部有害裂缝的产生。荷兰的弗拉克隧道引首次采刚无防水薄膜的 设计概念，使用水管冷却方法也是最早的。其特点是在侧墙中圣线上预先埋设一排蛇形水 管，水管是用直径为3 0 r a m 左右的钢管做成的水管入口处接近底板，水管出口处靠近顶 板，水管唾向间距均匀分布，水管进山口间的垂直高度、水流量、冷却时间等因素根据温 控要求而定。随后，荷兰和欧洲其它国家、中国等许多国家普遍都采川这种冷却方法。只 不过水管布置方式略有不同罢了在n e s t o rs r a s m u s s e n 回顾4 0 年来钢筋混凝七沉管隧 道一文”中，水管垂直间距和弗拉克隧道所采用的水管垂直间距一样，从上到下均匀分布， 但不是采用一摊蛇形水管，而是两排蛇形水管。再如，在德国北部艾莫河( e m s ) 河下的六车 道高速公路隧道 ，在侧墙内预埋了排蛇形钢管，可是其水管垂直间距是按上疏一卜密设 计的。截止到1 9 9 5 年。使用水管冷却方法米控制侧墙底部混凝士在其降温过程中产生的温 度裂缝最多的是荷兰，共有l l 座。实践证明，水管冷却方法在控制侧墙内最高温度、降低 内外温差和底板与侧墒之间的水平施：i ：缝两边的温度差、提高管段自身防水能力方面所起 的作用是非常显著的。不过单靠这一温控防裂措施还是不够的，还需要和其它温控防裂措 施一起使川才能使管段真正做剑“滴水不漏”。选择低热水泥和减少单位体积中的水泥心 量，是温控防裂措施中的两种基本方法，其目的是减少单位体积中的水化热，使混凝十内 最高温升值卜降。最终达到减小混凝十内温度拉虑力值的目的。如在文献刚中，选州高炉 水泥，水泥刖鬣严格控制在- 2 8 0 k g m 3 。此外。国外对管段混凝十的热力学性能进行了一些 试验研究。文献“_ 0 1 用边k 为l m 的立方体试验块进行了不同配合比混凝十的水化热试验， 采用悬浮温度计测出随时间变化的水化热，另外还h j1 5 0 1 5 0 6 0 0 m m 试验块测出混凝十在 凝结硬化过程中的弹性模量、抗拉强度手i l 抗压强度。文献。3 1 也报道过类似的强度试验，给 出了混凝土强度与水化热变化曲线。文献1 0 l 曾经采用实验方法研究过水管冷却对混凝十水 化热的影响规律。做了三个模型试验试验块a 、b 、c 的尺寸分别为0 6 5 m x 0 6 5 m x 0 6 5 m 、 0 6 5 m x l 3 r e x 0 m 和0 6 5 m x l 9 5 m x 6 6 5 m 。水管内外径分别为2 5 m m 和3 3 m m 。冷却水流始为 0 4 5 - 0 5 0 m 3 h ，入口处水温为5 0 5 c ，井把试验结果与有限元计算结果进行了对比研究， 两者吻合较好。 在国外，就沉管法隧道钢筋混凝十管段施i ：删温度场和温度应力场的理论分析进行了 不少研究“。卜一。3 h 驯众所周知混凝十的水化热以及混凝士的早期热力学性能指标 ( 如弹性模量、抗拉强度、抗压强度) 均随着龄期的变化而变化，其中混凝土的徐变度除 了与加荷龄期有关之外，还和持荷时间有关。也与管段结构的几何形状的复杂程度有关 因此。许多文献采用简化计算方法。文献1 叫采用马克斯威弹簧系( m a x w e l ls p r i n g s y s t e m ) 5 同济大学申请博士学位论文第一章绪论 粘弹模型，按刚性或弹性地基梁模型求出侧墙在习卜均匀温度载荷作用下的温度应力。文献1 利h jd e l f t 技术大学提出的一维梁模璎和臼行研制的一个名n q “t e m p ”的计算程序，可以 求出随龄期变化的水化热系数及强度，并且获得了随温度变化的温度应力，在此基础上探 讨了浇筑顺序( 整个作业段、先底板后侧墙和顶扳或先底板、次侧墙、后顶板) 、管段k 度、模板类型( 术模板、钢模板、绝热) 等诸因素对温度场和温度应力的影响。文献1 引 将沉管分成底板、侧墙和项板三块。取底极、侧墙和顶板厚度方向温度平均值作为计算温 度，并且采| h ；i 侧墙内温度在水管冷却高度内按线性变化的假定，然后按弹性地基粱模型求 出不同时刻的温度应力温度沿厚度方向的变化对温度应力的影响是通过修正系数法米修 正的。除了上述解析法之外，还有数值分析方法。文献引采用平面计算模型进行过钢筋混 凝土管段施丁期温度场和温度虑力场的数值分析。国外就水管冷却问题的计算方法进行过 研究。由于水管冷却和表面散热的联合作用问题十分复杂，数学处理上的困难，绝人多数 文献采用在冷却高度内的温皮按线性变化的假殴n 卜屯3 i - y 。文献删曾用二维块体单元法 求得了试验块在水管冷却作用及四周绝热条 j ，i ：下的非温态温度场的数值解，并测得了某些 点的温度时间历群曲线，两者吻合较好。此外，还对混凝士的热传导系数和比热等参数进 行了研究，得到的最位热传导系数和比热分别为3 5 2 j m s 。c ，2 9 5 0 一2 6 5 0 k j m 3o c 文献 壤曾刚数值分析方法对管段在不同水管冷却方案下的非稳态温度场进行过数值分析，获得 了满足温控防裂要求下的不同冷却方案的水管数、进口处水温和水流量。 我国在对防治温度裂缝和干缩裂缝的研究比较晚，目前基本上借鉴国外在沉管隧道混 凝士管段以及国内外在其它混凝十结构( 人体积混凝土坝、人型设备基础等) 浇筑过群中 的温度收缩裂缝防治方丽的经验。在我国运川的温度收缩裂缝的主要防治措施可以归纳为 分段分层浇筑、设置斤浇带、选川低热水泥、使川较少的水泥川颦、水管冷却、掺加粉煤 灰和膨胀剂等等k ”一圳。j “州珠江隧道的第一管节长为1 0 5 米，分成五个作业段，浇筑 顺序为先底板后侧墙和顶板，该管1 ，自脱模至浮运出坞前发现外侧壁的每一作业段中部有 少量垂直- 丁底板的裂缝，顶扳上有平行予管：1 ，宽度方向的裂缝。产生裂缝的原冈是与我国 隧道：l 程界对管段预制过程中温度收缩裂缝产生的机理、温度场和温度应力场分布及变化 规律认识不足有关，后来通过管肖裂缝原因的分析，采刖了设置宽度为1 4 m 的后浇带、减 少混凝土的浇筑层厚度、预冷骨料、水管冷却、添加膨胀剂等一系列综合措施，使其余四 ：盼管段做剑“滴水不漏”，从而保证管段的水密性“叫1 。在香港新机场铁路沉管隧道管段预 制时裂缝防治研究的一文- 2 中，严格按照i s 0 9 0 0 0 质簧标准管理体系，对混凝_ 十管段结 构采取了十分严格的分类标准和相应的温度控制标准、分段分层浇筑、添加粉煤灰掺量 ( 3 5 ) 和外加剂s u p e r 2 0 、水管冷却、表面养护等措施，使管段浇筑质量达到了设计要求。 以上的温控防裂成功经验为后米的甬江隧道、常洪隧道及在建的上海泰和路隧道提供了宝 贵的经验。值得一提的是，上海隧道股份有限公司负责施j t 的常洪隧道，原计划在侧墙内 埋设三排冷却水管。中间排冷却高度比两旁冷却高度低。为了减少混凝十浇筑时的施i ： 6 f 可济人学申请博士学位论文 第一章绪论 凼难，上海隧道股份有限公司将三排冷却水管改为两排冷却水管，取消中间一排冷却水管， 实践证明冷却效果良好。瑚1 。由于钢筋混凝十管段将受到施工、环境、混凝土材料热力学性 能参数等一些不确定因素的影响，设计计算时所采用的计算参数和实际参数值不可避免存 在一定的差距，因此实行温度监测是十分必要的。上海隧道股份有限公司对某些管段在贝 有代表性的点处预先布设温度计和应力计。井在凝结硬化过程中对这些点的温度、环境温 度、水管进出口处的水温和钢筋应力进行监侧，这为及时了解管段内部温度变化规律、水 管冷却情况以及建立管段施 ：期温度场和温度虑力场的理论模型提供了可靠的依据”。国 内在管段施t 1 ：期温度场和温度应力场所做的理论研究相对较少q li - s ! 北方交通大学韩 卫东等采用平面有限元法和非线性弹性模型对单孔及双孔沉管隧道分别在春季和秋季施：i ： 管段预制过程中温度场、温度应力及温度裂缝进行了仿真计算，研究了预冷侧墙混凝十对 侧墙混凝土温度场和温度应力的影响规律，还研究了水管冷却对温度场和温度应力的影响 规律4 i - t l 。同济人学地下系邓刚等采用一维热传导模型，利心有限差分法和给定侧墙两侧 面的温度，求得侧墙厚度方向上的温度分布规律，再采用平面假设茅弹性地基梁模型求出 了温度沿高度方向置1 卜均匀分布卜的白约束虑力”。管敏鑫等曾研究过沉管隧道运营阶段 的温度作川问题。先将此问题分为横向和i 纵向问题，对横向温著麻力，采川平面刚架模硝 币l 结构力学力法求解，对丁纵向温差应力，按弹性地基梁和平面截面假没。求山纵向温筹 白约束应力和外约束虑力，最后利用叠加原理求得温差总应力n 训。在同济人学田敬学的博 十论文h 4 中，他以温度变形等效载荷法为理论，基丁弹性地基梁和横截面的平面假没，导 出了底板对侧墙变形约束的轴向约束系数和弯曲约束系数的计算公式，以计算出温度麻力， 同时采【l j 白编的基于三维有限单元法羊迭代法的计算程序，对有水管冷却作用的试验块1 f 稳态温度场进行了分析研究但没有提供实际 ：程结构有水管冷却作刚的温度场的计算结 果。 总的米说管段预制时温度收缩裂缝防治方面的研究相对比较成熟，而在管段施：i ：期 温度场和温度应力场分析方面的研究还很不够，特别是施j l ：冈素对管段施jl ：期温度场平温 度应力场的影响，混凝十的徐变作用对管段施：l ：期温度应力场的影响和考虑水管冷却作川 的温度场计算问题还有待予进步的研究。这些列为本文的研究重点 1 4 本课题的研究意义 本文以浙江j 。波常洪隧道为：l ：程背景，研究了混凝土管段施 - 期温度场、有水管冷却 作川下非稳态温度场及温度应力( 考虑徐变作用、自生体积变形、千缩簪因素) 的计算方 法，在此基础上开发了一套数值仿真分析软件。这套软件能够考虑施工因素，如备浇筑层 之间的停歇时间，不同浇筑层弹性模域、水化热、徐变等参数的差异弹性模挺和绝热温 升随龄期的变化，冷却水温度、冷却水流量等参数的变化应用该软件对管段施：l ：期温度 场及温度应力场进行仿真计算。为较为科学地、全面地、精确地把握管段温度场、温度虑 7 i 州济人学申请博：l = 学位论文第一帝绪论 力分布及变化规律、温度收缩裂缝产生的原冈、分布状态和发展趋势提供了科学依据，也 为决策相应的温控防裂措施提供了科学依据。因此，本课题的研究对钢筋混凝土管段预制、 温度收缩裂缝防治具有十分重要的理论和应刚意义 1 5 研究内容与创新点 本课题旨在弄清混凝士管段预制至硬化过程中温度、温度应力( 考虑徐变、自生体积 变形和干缩等因素影响) 时空变化规律以及诸因素( 水管冷却、冷却高度、冷却水流黛、 侧墙与底板间的停歇浇筑时间等) 对温度和温度应力的影响关系，从而为管段设计、管段 预制、温度控制、裂缝防治提供科学依据。以卜各章的内容包括： 1 ) 第二章研究了混凝土热力学性能指标的影响因素、总结了混凝十热力学性能指标 的经验公式以及估算混凝土热力学性能指标的计算公式； 2 ) 第三章首先回顾了用于计算混凝土结构非稳态温度场的基于有限元法与有限差分 法的隐式解法和显式解法以及其它数值分析方法。并且评述了它们的优缺点针对目前常 埘的隐式解的振荡性问题，本文提出了一种则于求解管段施：i ：期北稳态温度场的稳定性相 对较好的有限元直接积分法利推导了计算公式本文创新之一 3 ) 第四章研究了钢筋混凝十管段和人体积混凝士坝冷却水管系统的特点以及混凝士 结构水管冷却问题的求解方法，根据管段水管冷却系统6 特点，本文提出了一种能够模拟 水管冷却效应的有限元子结构法，推导出相应的计算公式利沿途水温增量计算的迭代步 骤本文创新之二。 4 )第五章基于诈线性弹性理论利线性徐变理论，采h j 有限单元法和初应变增量法， 推导出增鼙型有限元计算公式： 5 )基丁第三、四、五章的理论和计算公式，编制了一套用予求解钢筋混凝土管段施 工期温度场和温度徐变应力场的数值仿真分析软件。该软件能够全面地考虑了施工参数， 洮凝土的弹性模量、徐变度和绝热温升等闪素随龄期的变化，备浇筑层弹性模量、徐变度 和绝热温升之间的差异停歇浇筑时间，水管冷却参数及环境温度变化等因素本文 创新之三 6 )第入章运刚笔者开发的数值仿真分析软件对常洪隧道管段施j l ：期温度场和温度 应力场进行了仿寅分析。研究了底板、中墒、侧墙和项板温皮场及温度徐变应力场的分布 和变化规律，同时还研究了水管冷却、冷却高度、冷却水流簧以及侧墙与底板之间的停歇 浇筑时间对管段施t 期温度场幂温度徐变应力场的影响规律。在此基础上，提出了可供一l ： 程设计和施工参考的一些建议 7 )第七章简单地介绍了笔者开发的数值仿真分析软件的组成、功能及使用。 8 )第八章研究了温度裂缝、干缩裂缝产生的机理，从原材料的选取、配合比设计、 水管冷却、表面养护、管段长度、施工监测与管理上等方面提出管段预制时温度裂缝和干 窖 同济入学申请博i j 学位论义第一章绪论 缩裂缝控制的综合措施 参考文献 卜1 叶作楷，谢尊渊，胡琼初珠江隧道沉管管节预制时裂缝的防治施工技术，n o 1 l ， 1 9 9 4 卜2 史海欧香港新机场铁路沉管隧道的裂缝控制施工技术v 0 1 2 7 ，n o 1 1 ，1 9 9 8 卜3 韩卫尔，乔春生沉管隧道管好体制作过程中的温度场仿真铁道工程学报， n 0 2 。1 9 9 9 1 4 韩卫东沉管混凝十硬化过程中温度裂缝的仿真与防治研究北方交通人学硕士学 位论文，1 9 9 9 1 5 邓刚钢筋混凝士沉管隧道预制时的温度与裂缝控制研究同济大学硕士学位论文， 2 0 0 1 1 6 a g l e r u m d e v e l o p m e n t si ni m m e r s e dt u n n e l l i n