（水利水电工程专业论文）江尖水利枢纽底板混凝土温度裂缝控制技术研究.pdf

扬州大学硕士研究生学位论文 摘要 无锡江尖水利枢纽工程包括排涝泵站和节制闸，泵站设计流量为6 0 m 3 s ，节 制闸为3 孔，单孔净宽2 5 m 。节制闸底板尺寸为3 8 2 6 2 5 m ，属大体积混凝土， 为防止底板混凝土产生温度裂缝，原设计底板设置两道后浇带，施工中考虑到后 浇带施工复杂且工期较长，采取取消后浇带整体浇筑施工技术。 混凝土结构温度裂缝属于非荷载裂缝，主要是由于温度变形( 水泥水化热、 气温变化等) 和收缩变形( 塑性收缩、干燥收缩) 引起的，由于这些变形受到约 束引起的应力超过了混凝土的抗拉强度，导致裂缝的发生。 本论文围绕江尖水利枢纽节制闸底板取消后浇带裂缝控制技术研究，介绍了 国内外混凝土温度裂缝研究概况和方法；阐述了混凝土温度裂缝的特点、产生原 因、温度变化过程和温度应力的发展、预防裂缝的措施；研究了混凝土温度场、 温度应力的计算理论，具体介绍了混凝土的热学性能，包括水泥水化热、绝热升 温和非稳定温度场的平衡方程；采用叶琳昌法、王铁梦法、有限元法预测混凝土 温度收缩应力，对无锡江尖枢纽节制闸底板温度场和温度应力进行仿真分析，为 底板施工方案的制定提供理论基础。 江尖节制闸底板取消后浇带、在原后浇带部位设置膨胀加强带、增加面层配 筋，成功地进行了底板整体浇筑。 本论文的研究成果“取消后浇带、设置膨胀加强带 能为类似大体积混凝土 底板施工期间温度裂缝控制积累经验、提供有效参考。 关键词：江尖水利枢纽；底板；后浇带；膨胀加强带；温度裂缝 a b s t r a c t w 戚j i a n g j i a nw a t e rc o n t r o lp r o j e c tc o n s i s t so fd r a i n a g ep u m p i n gs t a t i o na n dg r a d u a t i n g v a l v e ，t h ed e s i g nf l o wo fp u m p i n gs t a t i o ni s6 0 m 3 ，s ，g r a d u a t i n gv a l v eh a s3o r i f i c e sw i t h2 5 mw i d t h e a c h t h es o l e p l a t eo f g r a d u a t i n gv a l v e ( 8 x 2 6 x 2 5 m ) ，i sc o n s t r u c t e db ym a s sr e i n f o r c e dc o n c r e t e ， w h i c hd o n th a v et w op o s tp o u r e ds t r i p sd e s i g n e do r i g i n a l l yd u r i n gc o n s t r u c t i o n ，t op r e v e m t e m p e r a t u r ec r a c ko nt h es o l e p l a t ec o n s i d e r i n gt h el o n gc o n s t r u c t i o np e r i o do fp o s tp o u r e ds t r i p s t h et e m p e r a t u r ec r a c ki sn o n - l o a dc o n c r e t ec r e v i c e ，m a i n l yc a u s e db yt e m p e r a t u r ed i s t o r t i o n ( h y d r a t i o nh e a to f c e m e n t , t e m p e r a t u r ec h a n g e s ) ，c o n t r a c t i o nd i s t o r t i o n ( p i a s t i cs h r i n k a g e ，d r y s h r i n k a g e ) ，a st h e s el i m i t e dd i s t o r t i o ns t r e s sw h i c he x c e e dt e n s i l es t r e n g t hr e s u l ti nc r a c k s t h er e s e a r c ho fp a p e ra b o u tt h et e c h n o l o g yo fc o n t r o l l i n gc r a c k so ng r a d u a t i n gv a l v e c o n s t r u c t i o nw i t h o u tp o s tp o u r e ds t r i p sw u x ij i a n g j i a nw a t e rc o n t r o lp r o j e c t ，i n t r o d u c e st h eg e n e r a l s i t u a t i o na n dr e s e a r c h e so fc o n c r e t ec r a c k sa th o m ea n da b o a r d a n a l y z e st h ec h a r a c t e r sa n dr e a s o n o f t e m p e r a t u r ec r a c ka n de x p o u n do nt h ep r o c e s so f t e m p e r a t u r ec h a n g i n ga n dt h e r m a ls t r e s s d e v e l o p m e n ta sw e l la st h em e a s u r e so fp r e v e n t i n gc r a c k ；e x p l o r e sc a l c u l a t i o na p p r o a c h e so n t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a l s t r e s so f m a s sc o n c r e t e ；i l l u s t r a t e st h et h e r m a lp r o p e r t yo f m a s s c o n c r e t el i k eh e a to f h y d r a t i o no f c e m e m 、a d i a b a t i ch e a t i n ga n de q u a t i o no f t r a n s i e n tt e m p e r a t u r e f i e l d ；p r e d i c t sc o n c r e t et e m p e r a t u r ea d o p t i n gw a y so f y el i n c h a n g ，w a n gt i e m e n ga n d f i n i t e e l e m e n t sm e t h o d s ，p r o v i d e ss c i e n t i f i ct h e o r e t i c a lb a s i so ns i m u l a t e da n a l y z i n go nt e m p e r a t u r ef i e l d a n ds t r e s sa sw e l la sd e c i s i o nm a k i n go ns o l e p l a t ec o n s t r u c t i o n j i a n # i a ng r a d u a t i n g v a l v es o l e p l a t ea b o l i s h i n gp o s tp o u r e ds t r i p ss u c c e s s f u l l yc o n d u c t e dt h e o p e r a t i o no fi n t e g r a lc a s t i n g ，b ys e t t i n ge x p a n s i o nr e i n f o r c i n gb a n da n di n c r e a s i n gr e i n f o r c e m e n t o nf r o n to fp a n e l t h i sr c s e a r c hc o u l db et h er e f e r e n c ep a p e ro fk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c eo nm e a s u r e so f p r e v e n t i n gc r a c k sd u r i n gm a s s r e i n f o r c e dc o n c r e t ec o n s t r u c t i o na d o p t i n gt h em e t h o d so fa b o l i s h i n g p o s tp o u r e ds t r i p ss e t t i n ge x p a n s i o nr e i n f o r c i n gb a n d k e y w o r d ：j i a n g j i a nw a t e rc o n t r o lp r o j e c t ；s o l e p l a t eo fg r a d u a t i n gv a l v e ；p o s tp o u r e ds t r i p ； e x p a n s i o nr e i n f o r c i n gb a n d ；t e m p e r a t u r ec r a c k 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的 研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经 发表的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 、 学位论文作者签名争 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和 借阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 一名：謦叩 导师签名：炉，川 7 矿1 签字日期：弘o 年，0 月3 - e t | 彳，3 ，v，丁_t ，丫一 日如沪l 瓠明 _ 年 名 矽 鹳丫 糍 扣一 作 ： 文 期 沧 日 位 字 学 签 江尖水利枢纽底板混凝土温度裂缝控制技术研究 第一章绪论 1 1 问题的提出 无锡城市防洪工程江尖水利枢纽工程位于无锡市中心城区，座落在江尖大 桥和黄埠墩之间的古运河上，由一座节制闸和一座设计流量为6 0 m 3 s 的排涝泵 站组成，其主要功能是防洪、排涝和改善无锡城市水环境，节制闸在平水时可 通航。 江尖水利枢纽泵站、泵站进出水池、节制闸闸室、外河侧翼墙等主要建筑 物为1 级，次要建筑物为3 级，临时建筑物为4 级。 江尖水利枢纽节制闸由闸室、内外河翼墙、内外河消力池、海漫及防冲槽 等组成。顺水流方向总长1 2 8 o m ，采用钢筋混凝土整体坞式结构，闸门采用3 孔净宽2 5 m 的平面卧倒门。 节制闸底板共三块，均采用钢筋混凝土结构，每块平面结构尺寸为3 8 2 6 m ， 厚度为2 5 m ，其中廊道部位厚度为3 5 m ，每块底板混凝土约2 7 3 2 m a ，混凝土设 计为c 2 5w 6f 5 0 ，底板底面高程x 7 - 4 5 m ，顶面高程v - 2 o o m ，底板中部设项宽 4 0 m 、高2 m 的梯形挡槛，挡槛顶高程v o o o m ，在挡槛内设置宽1 8 m 高2 m 的 巡视廊道，内布置电缆和观测仪器，巡视廊道与两侧闸墩内的空腔连通，东西 两侧闸墩内分别设置楼梯与泵站和地面相连通。 节制闸基础采用0 4 5 0 4 5 1 6 m 的钢筋混凝土方桩，上游侧设置深1 0 m 、 厚0 3 m 的钢筋混凝土防渗墙。 为防止闸底板施工期产生温度裂缝，原设计采用宽缝技术，即在每块底板 顺水流方向设二道宽度为1 5 m 的后浇带，4 5 d 之后用c 3 0 微膨胀混凝土浇筑填 实，设计留设后浇带的方法是解决大体积混凝土温度裂缝传统有效的方案乜1 ，但 后浇带设置存在以下问题： 1 ) 削弱了底板整体性、抗震性； 2 ) 影响施工进度，后浇带给施工增加了混凝土剔凿、垃圾清理诸多 2 扬州大学硕士研究生学位论文 工序，影响施工工期5 0 d 以上； 3 ) 设置后浇带的模板要单独设置，支撑及模板施工材料投入多，施工不便， 施工经费增大； 4 ) 设置后浇带后将底板分成3 块，形成4 道新老混凝土结合界面，如果后 浇带混凝土发生收缩，影响新老混凝土结合强度，后期可能形成界面裂缝，同 时也会成为防水的薄弱点，目前抗渗混凝土中掺加膨胀剂并未完全解决混凝土 收缩和裂缝的问题3 ，因此可能会增加底板防水施工控制渗漏措施的费用； 5 ) 影响底板上的门底槛埋件安装； 6 ) 后浇带填充封闭时间不宜过短，以能将总降温及收缩变形进行一半以上 的时间为佳，从混凝土的收缩量推算需3 6 个月方能取得明显效果，最短不少 于4 5 d ，因此采用后浇带旖工技术施工复杂、工期较长埘； 由于后浇带给底板施工进度和质量控制带来不利影响，因此取消后浇带混 凝土温度裂缝控制成为江尖节制闸底板混凝土施工的攻关课题。 1 2 论文研究目的、意义 原设计中考虑采用后浇带，现行规范的伸缩缝规定是把结构长度看作控制 开裂与否的主要因素订1 。根据大量现场调查，引起结构裂缝的原因是综合性的， 结构长度只是影响温度收缩应力综合因素之一乜1 ，而不是唯一的因素。仅就长度 而言，结构长度与应力呈非线性关系，如结构长度小于规范的规定，似乎结构 内力影响很小，伸缩缝或后浇带可以有效地控制裂缝，但是对于承受很大温差 和收缩作用的现浇楼板、大截面梁、剪力墙、长墙、大体积底板等约束度较高 的结构，裂缝的概率仍然很高，后浇带的应用是一种进步，但并不是在任何条 件下都能奏效。 本文通过对底板混凝土温度应力理论计算，认为只要采取一定的工程措施， 可以取消后浇带，通过优化混凝土配合比、选择优质材料、在原后浇带部位设 置膨胀加强带、增加面层钢筋、加强混凝土保温与保湿养护、加强混凝土温度 监测，底板可以整体浇筑，并可以避免因温度应力而产生温度裂缝。 本文为江尖枢纽混凝土底板施工方案制定提供了理论依据，也可为类似工 江尖水利枢纽底板混凝土温度裂缝控制技术研究 3 程提供技术参考。 1 3 国内外研究概况与发展趋势 自1 9 世纪混凝土诞生以来，混凝土构筑物出现的各种裂缝现象一直困扰着 全世界的土木工程师们，学术界就一直进行着混凝土温控问题的研究。经过统 计研究可以把混凝土裂缝分为荷载裂缝和非荷载裂缝。据统计，建筑结构中仅 有2 0 的裂缝源于荷载，8 0 的裂缝系由温度变形、干缩变形、地基不均匀沉 降引起的非荷载裂缝，由于这些变形受到约束引起的应力超过了混凝土的抗拉 强度，导致了裂缝的发生【2 j 。 美国1 9 3 8 年3 、4 月a c i 第3 4 卷“大体积混凝土裂缝 中提供的资料【1 2 1 ， 波尔德坝采取的温控措施包括分缝间距均为1 5 m ，水泥用量为2 2 3 k g m 3 ，采用 低热水泥，浇筑层厚1 5 m ，并限制间歇期，以及预埋冷却水管，进行人工冷却 等。稍后建筑的大古力坝，除采用改良水泥外，其余温控措施和波尔德坝相同。 它们和1 9 3 2 年建成的奥威海坝相比，在每英尺长度上出现裂缝的长度，奥威海 为0 7 5 m ，大古力为o 5 6 m ，波尔德为0 2 2 m ，没有出现破坏整体的贯穿裂缝。 另据“垦务局对拱坝裂缝控制的实施( a s c e 1 9 5 9 8 ) 和“t v a 对混凝土重 力坝的裂缝控制( p o w e r d i v i s i o n ( 1 9 6 0 2 ) ) 中可以看出，美国在对水工大体积混 凝土温控防裂方面，在2 0 世纪6 0 年代初已经逐渐形成了比较定型的设计、施 工模式，包括：采用低水化热的水泥；采用活性掺合料代替水泥降低混凝 土中水泥用量以减少水化热温升，一般水泥用量为1 7 8 2 2 3 k g m 3 ，内部混凝土 水灰比为0 6 - - 0 8 ，外部混凝土采用o 5 - - 0 6 ；限制浇筑层厚度和最短的浇筑 间歇期；人工冷却混凝土组成材料，降低混凝土入仓温度；采用预埋冷却 水管，通循环水来降低混凝土的水化热温升；混凝土的暴露面外保温，防止 降温速率过大，在各种条件下，混凝土养护至少在1 4 d 以上。由于采取了上述 措施，到2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，美国陆军工程师团建造的工程基本上 做到了不出现严重危害性温度裂缝【l 引。 国外1 9 6 0 年前后已经逐渐开展混凝土温度裂缝设计、施工研究，瑞典律勒 欧理工大学的b e m a n d e r ( 1 9 8 8 ) 研究了混凝土结构水化热致体积变化而引起的早 4 扬州大学硕士研究生学位论文 期开裂、约束程度与早期混凝土变形、硬化混凝土过渡态力学性质等重要作用， 指出了建立在裂缝危险性标志基础上的传统温差观点的不充分性；推导了混凝 土水化热体积变化引起的早期开裂理论，对裂缝进行分类膨胀阶段和收缩 阶段裂缝；提出了控制早期裂缝的一般原则和实际措施以及控制大体积混凝土 裂缝的特殊措施【8 】。e m b o r g 和b e r n a n d e r ( 1 9 9 4 ) 对早期温度应力和早期温度裂 缝进行了很多实验，包括徐变实验、混凝土热体积自由缩膨实验、松弛实验等。 e l g a a l y ( 1 9 8 8 ) 对混凝土结构中的梁、墙板和楼板的温度梯度进行了理论研究 和实验测试比较，推出了结构影响参数的计算公式桫j 。f r a n kjv e c c h i o ( 1 9 8 7 ) 对 温度作用下的钢筋混凝土框架进行非线性分析，推导了计算公式，给出了计算 机程序流程，给计算机的仿真计算提供了有益的指导【1 0 1 。m i r a m b e l l ( 1 9 9 0 ) 进行 了箱式梁的混凝土桥的温度和应力分布分析l l 。 建国以来，特别是改革开放以来，我国经济社会迅速发展，建设规模日趋 宏大，钢筋混凝土结构应用更为广泛，结构形式更趋复杂多样，混凝土所用材 料及施工工艺也发生了巨大变化，但裂缝作为混凝土工程常见缺陷成为建设工 程科技人员极为关注的课题。在国内研究领域，清华大学、天津大学、武汉大 学、中国水利水电科学研究院、河海大学、大连理工大学等单位都开展了混凝 土温度应力方面的研究。陈志明【1 4 j 等对不同厚度的大体积钢筋混凝土在高温下 混凝土内部温度进行了施工全过程的跟踪和实测，统计整理出混凝土的中心部 位的温度升降变化的全部曲线，在大量工程实例的整理统计基础上，考虑各种施 工因素，提出了大体积混凝土在高温情况下的最高温度值的经验计算公式。天 津大学崔亚强【1 5 】研究了大体积混凝土二维温度场的机理，建立了大体积混凝土 的二维温度场的数学模型，并使之计算程序化。y o uz h o un i u ( 1 9 9 5 ) 对早期混凝 土热力学进行了有限元分析，并考虑了大体积混凝土中的水化热分布和环境温 度变化1 1 6 1 。河海大学在7 0 年代后期开始进行混凝土结构施工期温度场、徐变应 力场的分析工作，“七五 期间曾结合国家自然学基金与重点攻关项目先后承担 了京杭运河船闸施工期温度应力计算旧，东风拱坝施工期温度应力与裂缝稳定 分析；在1 9 9 0 年至1 9 9 2 年间完成了小浪底水利枢纽进水塔从施工期到运行期 江尖水利枢纽底板混凝土温度裂缝控制技术研究 5 全过程仿真模拟的三维有限元程序系统( t c s a p ) ，并且将国际上流行的虚拟裂 缝模型推广应用到长期变温荷载作用下的施工期软化开裂分析中【1 8 】、 1 9 1 【2 0 1 。清 华大学刘光廷教授、麦家煊教授等人提出将断裂力学应用到混凝土表面温度裂 缝问题的研究中，利用断裂力学原理和判据来分析在温度变化条件下混凝土表 面裂缝性能和断裂稳定问题【2 1 h 翻。丁宝瑛等在温度应力计算中考虑材料参数变 化的影响【2 3 】。朱炳喜研究了施工期涵闸掺粉煤灰混凝土温度裂缝控制方法2 4 1 。 国内有关专家学者对混凝土温度裂缝进行了深入的研究，数本关于混凝土 温度裂缝理论研究、防治方面的专著先后出版，如中国工程院王铁梦院士在总 结宝钢工程混凝土温度裂缝经验基础上，出版了混凝土裂缝控制乜1 专著，并 几次再版，详细阐述了混凝土温度裂缝产生机理、温度应力计算理论、防止温 度裂缝产生的预防措施。中国水利水电科学研究院朱伯芳院士1 9 5 5 年即在国内 首先开辟了混凝土温度应力和温度控制的研究领域，在其论著大体积混凝土 温度应力与温度控制陆1 中阐明了混凝土温度应力的基本规律，建立了完整的 计算分析和理论体系，提出了混凝土浇筑块、基础梁、船坞、重力坝、拱坝、 孔口、库水温度、寒潮、水管冷却等一系列温度应力研究成果和计算方法，广 泛应用于实际工程。大连理工大学赵国藩教授著钢筋混凝土结构的裂缝控制 嘲，同济大学袁勇教授著混凝土结构早期裂缝控制踟，富文权、韩素芳编 著混凝土工程裂缝分析与控制哺1 ，中国土木工程学会混凝土质量专业委员 会曾于1 9 9 5 年、1 9 9 7 年、1 9 9 9 年、2 0 0 1 年、2 0 0 2 年先后五次举办了混凝土裂 缝控制技术学术研讨会，并组织编写了钢筋混凝土结构裂缝控制指南啪1 ， 对指导建设技术人员控制裂缝起到积极指导作用。 大量的大体积基础工程采取连续施工，一次性整体浇筑，利用双控技术， 加强保温保湿养护，设置膨胀加强带，降低混凝土水化热温度等技术措施，取 得了裂缝控制新的发展，这也是大体积混凝土裂缝控制领域的一大突破。大体 积混凝土裂缝控制措施经历了设置伸缩缝、设置后浇带、取消后浇带，分段跳 仓施工方法等阶段。1 9 5 9 年，王铁梦对人民大会堂主体框架1 3 2 m 作了温度收缩 应力计算，提出取消伸缩缝建议，为避免施工期间较大温差，采取了“临时性 6 扬州大学硕士研究生学位论文 1 m 宽变形缝”，即后浇带陆1 ，他对研究混凝土结构非荷载裂缝领域进行了开创性 工作，于1 9 7 4 1 9 7 6 年提出了混凝土结构承受连续式约束温度收缩应力基松式， 并据此形成了“抗”、“放 兼施的一整套有害裂缝综合控制理论和近似计算方 法乜1 ，1 9 7 8 年宝钢一钢不锈钢工程大型地下箱形基础4 2 8 m 混凝土无缝工程，王 铁梦教授提出了“抗放兼施，先放后抗，以抗为主”原则为指导的“分块跳仓 浇筑结合技术措施，是克服后浇带方法与缺陷的一种创新。上海世界金融大 厦，新上海国际大厦，苏州河治理彭浦东站等工程取消后浇带，整体次浇筑 成功。 混凝土温度场和温度应力预测方法包括精确解析法和近似方法两类。啪，3 订 精确解析法指的是，以数学分析为基础求解导热定解问题，得到用函数形式表 示的准确解。这个函数表示着在导热现象所在区域内的一种连续温度分布。该 方法通常只能解决甚为简单的问题，而实际工程问题均属复杂问题，精确解析 法在实际工程温度场和应力场的仿真计算方面应用价值不大。但是精确解析法 可以验证近似方法( 尤其是数值方法) 的可靠性和精确性。最常见的精确解析 法是分离变量法，其它还有如拉普拉斯变换法、格林函数法、杜哈美尔法等。 近似方法主要包括数值解法、图解法、电热模拟法和水热模拟法等。其中 后面几种方法近年来应用很少，因此近似方法主要指的是数值解法。数值解法 根据其计算原理的不同，又分为差分法、边界元法、有限元法和模型试验法等。 有限元法是随着计算机的出现与普及而迅速发展起来的数值解法，现已渗透到 工程结构计算中的各个领域。采用有限元法计算非稳定温度场及徐变应力场， 一般采用有限元差分法，即在空间域采用有限元离散，在时间域采用差分 离散。目前在进行坝体温度场和应力场的仿真计算中均采用有限元法，能有效 地模拟坝体的整个施工过程和材料特性参数随龄期的变化过程以及边界条件的 变化过程，实现坝体在整个施工期和运行期的仿真计算，是目前最为常用的计 算方法。 1 4 本文主要研究内容 江尖水利枢纽底板混凝土温度裂缝控制技术研究 7 本论文研究无锡城市防洪工程江尖水利枢纽节制闸底板混凝土温度裂缝控 制技术，采用王铁梦法、叶琳昌法、a n s y s 软件，对该闸底板施工期的温度场和 温度应力进行分析、预测。论文主要的研究工作有： 1 、大体积混凝土温度裂缝控制研究目的和意义，国内外大体积混凝土温控 问题的研究概况和温控问题的研究方法。 2 、总结了混凝土温度裂缝的特点、产生原因、温度变化过程和温度应力的 发展、预防裂缝的措施等基本理论和方法。 3 、本论文围绕江尖水利枢纽工程底板温度裂缝控制，介绍了国内外底板混 凝土温控问题的研究概况和温控方法；研究了混凝土温度场、温度应力的计算 理论；介绍了混凝土的热学性能；阐述了非稳定温度场的有限元计算理论知识。 采用混凝土温度应力理论计算公式推算混凝土温度应力，运用a n s y s 软件， 对无锡江尖枢纽混凝土底板整体浇筑工程施工期的温度场和温度应力进行仿真 计算，给出仿真计算有关参数。 4 、研究确保底板混凝土一次性浇筑成功的施工技术措施。 1 5 本章小结 本章简要介绍混凝土温度应力控制研究目的，国内外混凝土温度裂缝研究 概况与发展趋势，混凝土温度应力预测仿真计算方法，概述本论文主要研究内 容。 扬州大学硕士研究生学位论文 第二章混凝土温度场与温度应力计算基本理论 2 1 大体积混凝土的定义 大体积混凝土的定义国内外尚无明确的定义，一般是根据几何尺寸和温差来 区别的，主要是根据厚度定义的。日本建筑学会标准j a s s 5 规定“结构最小断面 厚度在0 8 m 以上、同时由于水化热引起混凝土内部和外界最高最高差预计超过 2 5 c 的混凝土，均可称为大体积混凝土 。美国混凝土协会a c i i1 6 r - 0 0 ) 的定义 是：“任意体量的混凝土，其尺寸足以要求必须采取措施减小由于体积变形温度 及收缩作用引起的裂缝，统称为大体积混凝土n 1 。在普通混凝土配合比设计 规程j g 5 5 - 2 0 0 0 口2 1 采用定性和定量相结合的解释，其定义为：混凝土结构物最 小尺寸等于或大于l m ，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致 裂缝的混凝土。有学者基于温度收缩应力的影响认为“因混凝土施工中易产生由 温度收缩应力引起裂缝的结构即为大体积混凝土”。由此可见，在现代混凝土获 得广泛应用的条件下，只要需要采取温控措施的结构，均需按大体积混凝土裂缝 控制方法进行控制。 江尖水利枢纽节制闸钢筋混凝土底板符合上述定义，属大体积混凝土，这就 要求在钢筋混凝土底板施工时要采取必要措施，防止出现由于温度应力而引起的 裂缝。 2 2 混凝土基本物理力学性质 2 2 1 混凝土收缩及水化热 1 ) 混凝土收缩及影响因素。混凝土的收缩机理至今尚存在争论，但大多数 的研究成果认为混凝土是具有大量孔隙的材料。孔隙的半径颇不一致，半径较小 的毛细孔，半径小于3 0 0 a ( 1 a = 1 0 以o m ) 。其中水份蒸发引起孔壁压力的变化，导 致混凝土体积的缩小。混凝土中水泥水化理论用水量为0 2 3 ，而实际混凝土配合 比基于流动度要求，混凝土水灰比一般在0 3 0 以上，多余的水分都要蒸发，收 缩变形同时发生，最终收缩完成的时间大约2 0 年，但其主要部分的收缩是在最 江尖水利枢纽底板混凝士温度裂缝控制技术研究 9 早的l 2 年内。 由于水泥活性和强度等级的增加，收缩量显著增加，并且持续时间较长。影 响收缩的因素很多，如水泥品种，采用矿渣水泥比普通硅酸盐水泥水化热低，但 其收缩约大2 5 ，遇到超厚的大底板或大块式基础，则水化热起控制作用，宜选 用粉煤灰水泥或矿渣水泥，所以，应根据截面的厚度分别选用不同品种的水泥； 其次水泥细度越大，活性越大，强度等级越高，混凝土用量越多，其收缩越大； 第三，水灰比大，收缩将显著增加，同时抗拉强度降低。如水灰比为0 6 的混凝 土收缩比水灰比为0 4 的增加约4 0 ，有时尽管水灰比不变，水泥浆量对混凝土 收缩也有较大影响，减水剂可有效降低水灰比及用水量，而粉煤灰具有圆珠润滑 效应和火山灰效应，所以“双掺技术”对泵送混凝土既可提高和易性又可减少收 缩。 养护条件对混凝土的收缩影响很大，养护1 4 天的混凝土收缩量比养护3 天 的降低约2 0 ；环境的相对湿度越高，收缩越小；环境温度越高，风速越大，收 缩越大。 2 ) 混凝土水化热。混凝土中水泥水化产生大量热量，这是混凝土内部温度 的主要热量来源，影响水化热主要因素又与水泥熟料矿物组成，水泥细度，水泥 用量等，混凝土中掺入矿渣、硅粉等掺合料，也会使混凝土早期水化热加大。 2 2 2 混凝土强度增长规律 混凝土抗压强度和抗拉强度都随着时间而增长，但抗拉强度增长速率滞后于 抗压强度，水泥强度等级的提高及水泥用量的增加，对抗压强度增长较为显著， 而对抗拉强度增长较小，般而言，混凝土抗拉强度约为抗压强度的1 1 0 1 1 4 枷。 2 2 3 混凝土的徐变( 蠕变) 混凝土的徐变作用，给钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土带来有利和不利两方 面的影响。从不利方面看来，它可以造成预应力损失，增加挠度，可以降低钢筋 和混凝土的粘着力等。从有利方面看来，它可以使弹性的温度收缩应力大大的松 弛，根据变形速率及混凝土龄期，它对应力降低的程度约0 3 - - 0 8 倍，保温保 l o 扬州大学硕士研究生学位论文 湿养护越好，降温越慢，松弛系数越d d 2 1 。 2 3 温度裂缝的特性 温度裂缝属于非荷载引起的裂缝，具有以下特性： ( 1 ) 温度裂缝按裂缝有害程度可分为有害裂缝和无害裂缝，按裂缝深度一 般可以分为表面裂缝、浅层裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝，按裂缝出现时间可分为 早期( 3 - - 一2 8 d ) 、中期( 2 8 1 8 0 d ) 和后期裂缝( 1 8 0 7 2 0 d ，最长2 0 年) 5 1 ， 在实际工程中，危害较大的是深层裂缝和贯穿裂缝。 ( 2 ) 温度裂缝与混凝土的材料性能、施工养护有很大关系，混凝土结构在 温度发生变化时，首先要求变形，当变形得不到满足就会产生温度应力，温度应 力的大小与结构的刚度大小有关，当温度应力超过混凝土的抗拉强度就会引起温 度裂缝。裂缝出现后变形就得到满足或部分满足，温度应力就发生松弛。如果结 构材料有良好的韧性，其抗裂性能就较高。因此，提高混凝土承受变形的能力可 以起到控制温度裂缝的作用。 ( 3 ) 温度裂缝具有时间性，由于结构都有一定的厚度，温度的变化通过表 面向结构内部传递时就有一个时间的过程。在结构内部温度达到最大值之前，表 面温度已经从最大值开始降下来，因此结构内部的温度峰值高于外表面，这一点 有较大的实际工程意义。在实际工程中，通过延长结构温度作用的时间就可以较 好的起到控制温度裂缝的效果。 ( 4 ) 温度裂缝是在不停的变化着的，随着温度的不断改变，这种变化可以 包括裂缝宽度的扩展与闭合、裂缝长度的延伸和裂缝数量的增加。温度裂缝稳定 的变化是正常的，要控制的是不稳定的裂缝变化。 ( 5 ) 温度裂缝处钢筋的应力一般较小。混凝土结构开裂以后，温度应力全 部或部分释放，当混凝土因为开裂而回缩，钢筋就会阻止其回缩，此时钢筋的应 力就会有所增加，但一般仅有7 0 - - - , 8 0 m p a 。另外，当混凝土强度较低时，钢筋和 混凝土之间的粘结力容易遭到破坏，从而在裂缝处形成一个疏松带，这就使得钢 筋的应力不会很大。因此，对于没有防腐、抗渗等特殊要求的混凝土结构，温度 裂缝的控制要求可以较荷载裂缝的控制要求低一些。 江尖水利枢纽底板混凝土温度裂缝控制技术研究 i1 ( 6 ) 温度作用时应力、应变不再符合简单的h o o k e 定律， 化状态下，一维的温度应力一应变关系可以用下式表示： 占= ! + 艘 e 式中：e 一线膨胀系数； a t 温差。 在一般的温度变 ( 2 - 1 ) 由式2 - 1 可知，与普通荷载作用状态下应力一应变关系的不同之处，在于 多出了一个由于温度引起的应变项。 2 4 混凝土中的温度场 ( 1 ) 混凝土绝热温升f 2 】 假设混凝土处于上下左右都不能散发热量的绝热状态，混凝土内部温度持续 上升，随时间上升的规律由下式确定【2 】： l - ) = t h ( h ) = 罟( 1 0 。3 7 ) ( 2 - 2 ) 式中：c 一混凝土单位水泥用量( k g m a ) ； q 一每k g 水泥散热量； y 一混凝土比热，取0 9 5 1 0 3 j k g ； p 一混凝土容重( 2 4 0 0 2 5 0 0 k g m 3 ) ； f 一龄期( 天) ； 死一混凝土最高绝热温升( ) ； 瓦( f ) 一龄期t 时混凝土绝热温升( ) 。 ( 2 ) 实际温升 混凝土由于水泥水化热引起的实际温升，比绝热条件下水化热温升要小，工 程实践证明，在散热条件大致相似的情况下，混凝土厚度越厚散热越慢，内部温 升越高，越薄散热越快，不同龄期混凝土水化热温升与浇筑块厚度关系见表 2 1 【3 j 。 1 2 扬州大学硕士研究生学位论文 表2 - 1不同龄期混凝土水化热温升与浇筑块厚度之间关系3 1 不同龄期( d ) 时的号值 浇筑块厚度( m ) 3 69 1 21 51 82 12 42 7 3 0 1 o0 3 6o 2 9o 1 7o 0 9o 0 5o 0 3o 0 1 1 2 5o 4 2o 3 lo 1 9o 1 l0 0 70 0 4o 0 3 1 5 00 4 90 4 6o 3 8o 2 90 2 lo 1 5o 1 2o 0 8o 0 50 0 4 2 5 0o 6 5o 6 2o 5 90 4 8o 3 80 2 90 2 3o 1 90 1 60 1 5 3 0 0o 6 8o 6 7o 6 30 5 70 4 50 3 6o 3 0o 2 50 2 1o 1 9 4 o o0 7 40 7 3o 7 2o 6 5o 5 50 4 60 3 7o 3 00 2 50 2 4 注：本表适用于混凝土浇筑入仓温度为2 0 3 0 c 的工程。 混凝土内部中心温度，按式( 2 - 3 ) 计算： 厶：乃+ n ( t ) x 毛( 2 3 ) 式中：厶混凝土内部中心温度( ) ； ，砼浇筑入仓温度( ) ； 三_ 不同浇筑块厚度的温降系数。 ( 3 ) 混凝土温差计算 1 ) 收缩当量温差 混凝土因收缩而引起的拉应力是较大的，在温度应力计算时将收缩产生的变 形换算成相当于同样变形所需要的温度值( 简称为“收缩当量温差”) ，与混凝土 的平均温度差合并计算温度应力。 各龄期混凝土收缩变形值8 y ( t ) 随许多具体条件和因素的差异而变化，一般 用式( 2 4 ) 计算。 占以f ) = 占。y ( 1 一p 吨0 1 7 ) m i m 2 _ 么 ( 2 4 ) 式中：占。y 混凝土在标准状态下的最终收缩值( 极限收缩值) ，取3 2 4 x1 0 _ ； m 。、m 2 坛各种非标准状态下的修正系数。 混凝土当量温差按式( 2 5 ) 计算： 瓦( f ) ：一型( 2 - 5 ) 江尖水利枢纽底板混凝土温度裂缝控制技术研究 1 3 式中：l ( f ) 各龄期( d ) 混凝土收缩当量温差( ) ： r 混凝土线膨胀系数，取1 0 1 0 _ 6 。 2 ) 混凝土内外温差由水化热温差和收缩当量温差组成。 2 5 混凝土温度应力理论计算 混凝土结构浇筑后，水泥的水化过程尚在持续中，释放大量水化热使混凝土 内部温度上升，通过与外界的热交换，其温度逐渐与周边环境温度趋于平衡，这 期间热量引起温度膨胀或收缩变形，若结构受到约束限制则会产生拉应力，若拉 应力超过了该时刻混凝土的抗拉强度，即不可避免的产生裂缝。 在现浇混凝土结构早期裂缝控制问题上，王铁梦、朱伯芳、叶琳昌等专家学 者已进行了大量的温度应力和裂缝控制的实验研究与总结，王铁梦、叶琳昌等人 对各种工程裂缝研究进行了系统分析，提出了温度应力计算的理论方法和预测公 式。 2 5 1 叶琳昌温度应力公式 叶琳昌教授在大体积混凝土施工一书中介绍大体积混凝土考虑两个方向 约束时温差应力计算公式( 2 - 6 ) 嘲： 仃：_ e t t _ a t 既( f ) r 。 ( 2 6 ) l 一“ 式中：盯混凝土温度收缩应力，m p a ； e w 混凝土弹性模量，m p a ； 最( f ) 混凝土徐变松驰系数； 冠混凝土外约束系数，取0 3 5 ； 口混凝土线膨胀系数； 丁总温差，丁= t j + 2 3 t ( v ) + t g ( r ) 一t g ； 乃混凝土浇筑温度； 丁( f ) 龄期t 时水化热绝热温升； 疋( 1 ) 混凝土收缩当量温差( ) ； 1 4 扬州大学硕士研究生学位论文 乏混凝土浇筑达到稳定的温度，可按年平均气温计算。 2 5 2 王铁梦温度应力公式 王铁梦院士在混凝土裂缝控制专著中研究混凝土温度应力近似计算公式 为 2 1 ： = 等 一毒卜f ， 7 ， 2 式中：h ( t ，f 1 混凝土由于蠕变带来的应力松驰系数，缓慢降温为o 3 ，正常降 温为o 5 ，急剧降温为0 8 ( 含干燥) 。 王铁梦法有四个基本计算式，拉应力缸计算式，裂缝间距厶；。计算式， 裂缝宽度f 厶和剪应力f ( x ) 计算式，从这些计算式可以推导出取消伸缩缝、控 制裂缝、抗放兼施来控制有害裂缝等一整套处理方法的计算依据。 2 5 3 有限元法 王铁梦提出混凝土温度应力计算公式后，国内有不少研究者尝试有限元法来 研究温度应力，并形成a n s y s 有限元计算软件等阳蚓啪矧侧。 2 6 混凝土温度变化过程和温度应力的发展过程 工程调查表明混凝土建筑物温度收缩裂缝大多是由温度应力、干缩应力及其 他应力产生，掌握混凝土温度场的分布规律，了解温度裂缝的开裂机理以及温度 应力形成过程是很有必要的嗍巾巩m 1 。 对于体积较大的混凝土结构，温度变化过程大致如图2 1 所示，浇筑温度瓦 是混凝土刚浇筑完毕时的温度，如果完全不能散热，混凝土处于绝热状态，则温 度将沿着绝热温升曲线上升，如图中虚线所示；实际上由于通过浇筑层表面和侧 面可以散失一部分热量，混凝土温度将沿着图中实线而变化，上升到最高温度 瓦+ z 后温度即开始下降，其中乃为水化热温升。上层覆盖新混凝土后，受到新 混凝土中水化热的影响，老混凝土中的温度还会略有回升；过了第二个温度高峰 江尖水利枢纽底板混凝土温度裂缝控制技术研究 1 5 以后，温度继续下降。如果该点离开侧面比较远，温度将持续而缓慢地下降，最 后降低到最终稳定温度l 。如果该点离开表面的距离较小，该点温度在持续下降 过程中，受到外界气温变化的影响还会随着时间而有一定的波动，如图中实线所 示，最后在r 的上下有周期性的小幅度的变化，为准稳定温度。 ，、e 绝热温升 最高温度n + 鲞壁堡量! 艘一一 i 丑， 2 1 混凝土温度和弹性模重的变化过程 由于混凝土弹性模量随着龄期而变化，在大体积混凝土结构中，温度应力的 发展过程可以分为三个阶段( 图2 - 1 ) 。 ( 1 ) 早期应力。自浇筑混撮土开始，至水泥放热作用基本结束时止，一般 3 2 8 d 。这个阶段有两个特点：一是因水泥水化作用而放出大量水化熟，引起温 度场的急剧变化：二是混凝土弹性模量随着时间而急剧增加。 ( 2 ) 中期应力。自水泥放热作用基本结束时至混凝土冷却到最终稳定温度 时，时闻约为2 8 1 8 0 d ，这个时期中温度应力是由于混凝土的冷却及外界锰度变 化所引起的，这些应力与早期产生的温度应力相叠加。在此期间，混凝土弹性模 量还有一些变化，但变化幅度较小。 ( 3 ) 晚期应力。时间约为1 8 0 7 2 0 d ，甚至达到2 0 年以上，混凝土完全冷 却以后的运行时期温度应力主要是由外界气温和水温的变化所引起的，这些应 力与早期和中期的残余应力相互叠加形成了混凝土晚期应力。 2 7 本章小结 翟一 1 6 扬州大学硕士研究生学位论文 本章通过查阅大量国内外资料，具体阐述了大体积混凝土的定义，混凝土基 本物理力学性能，混凝土温度裂缝的特点，混凝土基本热学性能，混凝土温度应 力计算基本理论，混凝土温度变化过程和温度应力的发展过程等，为进行江尖节 制闸底板温度场和温度应力仿真分析打下理论基础。 江尖水利枢纽底板混凝土温度裂缝控制技术研究 1 7 第三章混凝土温度裂缝成因分析与预防措施 3 1 混凝土温度裂缝产生原因 长期的工程实践表明，造成混凝土出现温度裂缝的因素是极其复杂的。一 方面，混凝土由于内外温差而产生温度应力和应变；另一方面，结构外约束和 混凝土内不同部分的自约束阻止了这种应变。一旦温度应变超过混凝土能承受 的极限抗拉强度，就会产生不同程度的裂缝。 钢筋混凝土底板产生温度裂缝因果分析图见图3 - 1 ，主要原因有内外约束 条件、混凝土水泥用量的影响、施工因