（水工结构工程专业论文）高性能泵送混凝土渡槽工程温控防裂方法研究.pdf

摘要 混凝土裂缝是一直困扰水利工程建设与运行的老问题。本文围绕高性能泵送 混凝二e 大型渡槽的温控防裂问题，从理论和实践上较系统地阐述了混凝土温度场 和应力场的有限单元法仿真计算理论和方法，并对南水北调中线京石应急段中的 水北沟渡槽工程的温控防裂方法进行了较详细的计算分析研究。主要内容如下： 在查阅了大量国内外文献资料的基础上，较详细地论述了渡槽工程作为输水 建筑物的作用以及国内外渡槽工程的发展情况，总结了高性能泵送混凝土的主要 热学和力学特性，阐述了混凝土温度场、应力场仿真计算的基本理论和方法，以 及水管冷却混凝土边界非线性温度场的迭代求解方法。结合南水北调中线某渡槽 施工所用高性能泵送混凝土的试验所测得的温度数据，应用遗传算法反演了该混 凝土材料的相关热学参数，再利用反演出来的参数去仿真计算实际结构中的温度 场和应力场，制定施工防裂方法，并直接指导现场施工，取得显著成效。实践证 明本文方法科学、可靠、易行和应用价值高。 总结了高性能泵送混凝土渡槽工程中常见裂缝的形式、裂缝的危害和裂缝产 生的机理，详细介绍了预防高性能泵送混凝土渡槽槽身裂缝出现的一系列切实可 行的温控措施和防裂方法。 基于以上理论和方法，主要以南水北调中线干线工程水北沟高性能泵送混凝 土输水渡槽工程温控防裂方法研究的专题为依托，研究了大型渡槽槽身混凝上在 不同季节和不同温控防裂方法下的实际温度场和应力场，以及优选施工防裂方 法，提出不同现场施工条件情况下应采取的切实可行的现场温控措施和相应的防 止裂缝出现和控制混凝土施工质量的控制指标。此外，还举例了这一研究成果在 南水北调漕河大型渡槽工程中的成功应用情况。 关键词：南水北调：高性能泵送混凝土；渡槽；水管冷却；裂缝：仿真计算；反 演分析；温控防裂方法 a b s t r a c t t h ec r a c ko fc 叫c r e t ej sa n0 l dp r o b i 哪p u 列e dh y d r a u l i c 朗画n 酬n gc o n s t n l c i o na n du s i i i ga l l a l 叩g f 0 c u s 。do n n l e s u b j e c to f 晒n p c m “l r ec o n t m la n dc r a c kp r 驯e i l i i o no ft h eh i 9 1 l 耐b n l l a n c ep u m pc o n c r e i eo f1 a r g c s c a ka q u e d u c c ，t h es i m u i a t i v ec a l c u i a l i o nt h e o r i e sa n d m c l l l o d so ft t l et 锄p e 曙t u r ef i e l 出a n ds 豫sf i e l d sw i h 也ef m i t ee i 锄e 矗tm 烈h o d s ( f e m l 辨 s 声啪i c a l l ys t u d i e dj ni h e o r ya i l dp 讯c t i c e t h et e m p e 例m 陀c o n t r 0 ia n dc r a c kp r e v e n t i o nm e t h o d s 舶_ c c a l c u l a t e d ，a i l a l y z c da n dr 器r c h e di nd e t a i lf o rs h u i b e i g o ua q u e d u c t ，o n ee n g i n e 舐n go f n i e 眦a 咎n tw a t e rs “p p i yp m j e c tb e h v c e i it i a n j i n 粕ds h ij i a 疝u a n g ，w h i c hb e l o n 萨i ot i l em i d d i e 枷l c o f t h es o u t h t o n o r t h w a t e r t r a n s f 打p 删e c t t h e m a j nc o n t e n t sa 托勰f o l l o w s ： b a s e do nc o n s u l t i n gal a 唱eo fd o f n 黜t i c 卸do v e 嘲t a a t u 陀，吐l e 凡n c d o no fa q u e d u c t 鹉a w 簪时咖【f hs 虮i c n 工r e 柚dt t l ed e v e l o p m e n to f h o m ea n da b r o a d8 q u e d u c ta r ee x p o u n d 酣证d e t a i l ； m em a i nm e 丌n a l 锄dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fm eh i 曲p e r f o n n 柚c ep u m pc o n c 陀t eo fa q u e d u c t a 咒飘i i n m a r i 。e d i n d e t a i l ；t h ee s s 蜘妇l 如c o 嵇a n ds i m u l a t i v e s o l u t i o n m e m o d s o f m e t c r i l p e f a 山陀 丘e i 凼a n ds t r e s s6 e i d so fc o n c 咒t ea r ci i i 仃o d u c e da r i d 山ej t 目a t i v em e t h o do fc o m p u t i n gw a t e r p i p ec 0 0 l i “gi nn o n i i n rc o n c r e i et e m p e r a t u r ef i e l d sa r ca j s oi n m d u c e d a c c o r d i n gt ol h ev a l u 髂 o f 嘲n p e r a t u 衅a t t a i n c d b ya t e s t w i t has d r to f h i 曲p e d b m l a n c ep u m pc o n c r e t e ，w h i c h i su s e d i n aa q u e d u c ib e l o n g st ot l l em i d d l er o u t eo fs o u 血t on o n l lw a t e r 响n s 斯p r o j t ，u s i n gt l i em e c h o d o fg 锄e t i c 枷t h | n e t i c ( g a ) c 0r e v e r s et h ec o 兀i a t i v et h 盯m a ip a r a m e t e r so ft h ec o n c 埠c e 。t h c nb y t l i o g o t t e np a r a m e t e 稻，t h et e m p e r a t u r c 丘e l d sa n ds 仃髓sf i e i d so fi h ea c t u a ls t n i c t u 咒h a v eb e e n c a k u l a t e dt oc o r i s t i t l l t ec r a c kp r e v e n t i o nm e h o d sf o ri n s t n l c t i n gc h ec q n s t r u c t i o ni m m e d i a t e i ya n d o b 曲lao b v i 鲫ss u c c e 嚣n em 甜1 0 do f g ai nt h ep a p e fi ss c i e n t i 行c ，r e l i a b l e + f c a s 越ea n dah i 曲 印p l i e dv a l u e t h ef a m i i i a rm o d e io fc r a c k ，t h eh a 哪o fc r a c ka n dt h ec 肌t i o no fc m c ka r e 鲫m m e du di nc h e p 印盯f o rc h eh i g hp e r f o 册a n c 。p u 唧a q u e d u c t as c r i c so ff c a s i b i et e m p e r a t u r ec o n t r o la c t i o n s a n dp 陀v e n t i o n 啪c km e i h o d sa 陀i n t r o d u c e di nd e t a i lt o p r e v e n tt h ec m c ki nu p p c rp a f to f a q u e d u c tw i t hh i g hp e r f o r m a n c ep u m pc o n c r e t e s u p p o r t e db yc h ea b o v em e o e sa n dm e t i o d s r i l a i n l yb a s e do nl h er e s e a r c hi t e r t lo ft h es t i l d i e s o f t 锄p e r a t u 坤c o n l r o la n dc r a c kp r e v 蚰l i o no fs h u i b e j 9 0 ua q u e d u c tw j t hh i g hp e r f b m a n c ep u m p c 如c f e t e ，w h i c hb e l o n g st om em i d d l er o u t eo f 血es o u i ht on o n hw a i 盯t m n s f 打p r o j c c t ，i l l ea c c u a l i 哪p c r a t u r ef i e l d sa i l ds t r e s s6 e l d so ft h eu p p c rp a r to fl a r g e s c a l ea q u e d u c t 卸di h eb c s 【c r a c k 珥e 啪t i o nm e t h o d sd u r i n gc o n s t 九i c “o na f es t l l d i e di nd i f f b 心n ts e a s o n sa n dt 锄岬t i l r ec o n t r o l a n dc r a c kp r e v e n t i o nm e t h o d s t h ef b s i b l et 锄p e r a i u r cc o n t r o la c c i o n sa n d 出ec o n h 训撕t e d o nt o 畔v tc m c ka n dc o n h 训i h ec o n s t n i c 虹o nq u a l i t ya r ep u tf 0 哪a r di nd i 脯删ic o n s t m c t i o n 。o n d i 如n s 。a d d i c i o n a l ， h ef e s e a r c ha c h i e v e m 髓th a s 舒t l ys u c c e e d e dj nc a o h el a r g e s c a l e j i a q u e d u c lo f f h es o u t ht on o 灿w a t e r 啦n s 衙p 叫e c t k e y - o r d s ：t 1 1 es o u t ht on o r t hw a i 盯i f a n s 衙；h i g hp e r f o n n a n c ep 啪pc o n c 珲t e ；a q u e d u c c ；p i p e c o o l i n g ；c r a c k ；s i m u l a 【i v ec a l c u l a i i o n ；b a c ka n a l ”i s ；t e m p e r a m r ec 仰i f o la n dc r a c kp r e v e n t i o n m e i l l o d s i i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：j 亟盏2 0 0 8 年6 月9 日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致，除在保密期内的保密论文外。允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：亘垂2 0 0 8 年6 月9 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 渡槽的作用及其发展状况 1 1 1 渡槽的作用 水是人类赖以生存的最基本的前提，水利也是工农业经济发展的命脉。然而 我们生活的这个地球可供利用的淡水资源是有限的，世界各国和地区淡水资源分 布不均匀也是众所周知的事实。就我国目前水资源分布状况而言，北方部分地区 严重缺水，而南方水资源却比较丰富。因此只有进行地区之间，甚至是跨流域的 水资源联合调度，才能满足水量的平衡，改变我国水资源分布不均的现状。为此， 国家修建了大量的配套水利工程进行水资源调度，例如，已建的引滦入津工程、 东深供水工程和在建的南水北调工程等。在这些远距离输水工程中，使用最多的 水工建筑物是输水式建筑物，其中渡槽是运用较为广泛的型式之一。 渡槽是输送渠道水流跨越河渠、道路、山冲、谷口等的架空输水建筑物，是 渠系水工建筑中应用最广的交叉建筑物之一，除在灌区用于输送渠水进行农f 开灌 溉、城镇生活用水、工业用水、跨流域调水( 图1 1 ) 等外，还可供排洪和导流 之用鬯。在一些跨流域调水工程中，考虑到水质保护的需要及便于运行管理， 干渠( 或总干渠) 在穿越河流时均采取立体交叉型式，也必然需要各种型式的渡 槽。当挖方渠道与冲沟相交时，为排泄冲沟来水和泥沙，不使山洪及泥沙进入渠 道，可在渠道上面修建排洪渡槽。在流量较小的河流上修建闸、坝需用上、下游 围堰拦断河道时，可在基坑上面架设导流渡槽，使上游来水通过渡槽泄向下游。 1 1 2 渡槽的发展状况 图1 1 输水渡槽( 单位：c m ) 世界上最早的渡槽诞生于中东和西亚地区。公元前7 0 0 余年，亚美尼亚已有 渡槽。公元前7 0 3 年，亚述国一西拿基立下令建一条4 8 3 k m 长的渡槽引水到国都 f i 海人学硕i ：学位论文 尼微。渡槽建在石墙上，跨越山谷。石墙宽2 1 m ，高9 m ，共用了2 0 0 多力块石头。 渡槽下有5 个小桥拱，让溪水流过。 i 古希腊的许多城市建有良好的渡槽，但古罗马人最为认真，把供水系统看作 是公共卫生设施的重要部分。罗马第一条供水渡槽是建于公元前3 1 2 年的阿比渡 槽；第十条也是最后一条则是公元2 2 6 年建成的亚历山大渡槽；最长最壮观的是 建于公元前1 1 4 年的马西亚渡槽，虽然水源离罗马仅3 7 k m ，但渡槽本身长达9 2 k m 。 这是因为渡槽要保持一定坡度，依地形蜿蜒曲折地修建。 渡槽在我国已有悠久的历史。古代，人们凿木为槽用以引水，即为最古老的 渡槽。据水经注疏【3 】：长安城昆明“故渠又东而北屈，迳青门外，于j 穴水枝 渠会。渠上承；穴水章门西。飞渠引水入城。东为仓池，池在未央宫西。”。“飞 渠 即为渡槽，建于西汉，距今约2 0 0 0 年。又据中国水利史稿上策【4 】考证， 水经沮水注中所叙述的郑国渠“绝冶谷水 、“绝清水 中的“绝 就是 指一种原始形态的渡槽，则渡槽见诸历史记载就比长安城的飞渠更早，这说明渡 槽在中国已有2 0 0 0 年以上的历史。 2 0 世纪5 0 年代初期，我国新建渡槽多为木、石结构。木渡槽因木材是宝贵 资源且维修费大、寿命不长，故除少数用做临时性引水外，已不再采用。石拱渡 槽是就地取材的建筑工程，由于石料的开采、加工和砌筑常为手工操作，需用大 量劳力，但可节约水泥、钢材，且施工技术易为群众掌握，因而直到2 0 世纪7 0 年代，在不少灌区的渡槽工程中石拱渡槽仍占相当大的比重。至于墩台结构采用 石料砌筑就更为普遍。2 0 世纪5 0 年代中后期，随着经济建设的发展采用钢筋混 凝土渡槽f 1 益增多，施工方法以现场浇筑为主。1 9 5 5 年，黑龙江省首先采用了 装配式渡槽，装配式渡槽较现场浇筑可节省大量木材和劳力、显著降低工程造价、 加快施工进度，并便于施工管理和提高施工质量，因而在2 0 世纪6 0 年代初期以 后，在许多省份逐渐得到推广，其中以广东省发展最为迅速。广东省湛江地区除 在建筑物型式及预制分块构件的基础上，提出了u 形薄壳槽身的结构型式及其计 算方法。此外，我国南方地区还建了一些钢丝网水泥u 形薄壳渡槽，但这种结构 耐久性差，已较少采用。 2 0 世纪6 0 年代后期至7 0 年代中期，在钢材、水泥供应较困难的条件下， 渡槽工程中出现了各种类型的少筋、无筋混凝土结构，如三铰片拱式、马鞍式、 拱管式、双曲拱式渡槽等，这些型式由于存在一些缺陷，现在已很少采用，但却 代表渡槽结构型式发展的一个阶段。桁架拱式渡槽也是这一阶段发展起来的，山 东省吸取桥梁工程中这一结构型式的特点，提出并于2 0 世纪7 0 年代初丌始在山 东兴建桁架拱渡槽。山东是我国修建桁架拱渡槽数量最多、类型最齐全的省份。 从2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年代这一阶段，水利事业发展中有几项工作与 渡槽型式的变化发展密切相关：一是水利工作集中抓渠系配套建设，以充分发挥 第一章绪论 水利工程效益；二是大型灌区建设进一步发展；三是相继出现了一些跨流域、跨 省份的调水工程，如引滦如津、引大如秦、南水北调工程等。这些工作使这一时 期兴建的渡槽的输水流量由几个、几十个立方米每秒发展到上百立方米每秒，从 而促进了渡槽结构型式的改进与创新。主要体现在一下几个方面： ( 1 ) 各种大跨度拱式渡槽不断涌现，如广西玉林县的力龙双曲拱渡槽，跨 度达1 2 6 m ；湖南郴县乌江渡槽，主拱采用钢筋混凝土箱形断面，跨度达1 1 0 m 等。 这些大跨度渡槽的宽跨比远小于1 2 0 ，其侧向稳定往往成为设计及保证安全运 行的突出问题，为了解决此问题，这一时期我国先后试建了十多座拱体变宽、造 型新颖、布局轻巧的板拱及肋拱渡槽，其跨径在8 0 m 1 0 0 m 以上，最小宽比达 1 4 0 l 5 0 ，取得了成功。工程实践证明，这一阶段建造的变宽拱是解决大跨度、 小宽比拱式渡槽侧向稳定的合理造型。 ( 2 ) 预制吊装程度进一步提高，吊装重量不断增大，施工技术不断发展。如 湖北省引丹灌区的排子河渡槽，为简支梁式，一节预制槽身长2 1 7 m ，吊装重量 达2 0 0 t ，而槽墩达3 0 m 4 0 m ，最大墩高达4 9 m ，采用滑升模板法施工，加快了 施工进度，保证了浇筑质量，为浇筑高墩、柱开拓了新途径。在此期间，渡槽工 程引用交通部门的转体施工法取得成功，使用的最大跨度达7 8 6 5 m 。 ( 3 ) 发展了新的结构型式，如上槽下洞式、斜拉式等。上槽下洞式是解决与之 交叉的河流洪枯流量及相应水位相差悬殊而渠底与河底高程相差不大这一矛盾。 而提出的一种渡槽型式，如河北引洵入潮的穿鲍邱河渡槽【5 1 ，上部为引洵运河档 水渡槽，设计流量8 3 0 m s ，校核流量为1 0 8 0m 3 s ；下部为鲍邱河输水涵洞。斜 拉结构较早用于桥梁，2 0 世纪5 0 年代以来斜拉桥得到迅速发展，我国于1 9 7 5 + 年在四川云阳河汤溪河上建成第一座斜拉桥，1 9 8 2 年丌始斜拉结构被引入渠道 输水建筑物，目前我国已建成的最大斜拉渡槽为北京二道河斜拉渡槽【6 1 ，全槽长 2 7 6 1 m ，斜拉段长2 5 8 m ，主跨1 2 6 m ，槽身为普通钢筋混凝土半封闭u 形薄壳结 构，通过设计流量为5 d s ，1 9 8 8 年建成通水。 ( 4 ) 在大、中型渡槽工程中较普遍地使用了预应力混凝土结构，显著地提 高了渡槽混凝土的承载能力及抗裂性。如河南省陆浑灌区铁窑河渡槽，设计流量 3 2 2m 3 s ，槽身段长4 1 1 4 m ，共分1 9 跨，中间8 跨采用双排架预应力空腹桁架 槽身，跨度为3 7 4 m 。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算技术的迅猛发展，利用电子计算机及先进设 计理论进行了各种流量、各种跨度渡槽结构型式的研究，以及结构型式优选的研 究，使得渡槽设计更趋先进合理。各种新材料、新技术也不断应用于渡槽工程。 例如，1 9 9 0 年在湖南省铁山灌区建成的由桁( 刚) 架拱发展而来的第一座拱梁 组合式渡槽凉清渡槽，设计流量1 9 5 m 3 s ，校核流量2 1 5 4m s ，槽身全长 7 5 2 m ，由一跨5 0 4 m 的拱梁组合式结构和两端各一跨1 2 4 m 的简支结构组成， # 海人学硕l ：学位论立 槽身采用半圆薄壳端面，内径5 5 2 m ，直段高0 3 9 m ，槽壁厚1 3 c m 拱肋采用二次 抛物线形等截面双铰折线拱，矢跨比为l 5 6 ，截面尺寸o 5 m x1 o m 。又如广东 省东江深圳供水改造工程，是香港、深圳以及工程沿线东莞城镇提供引用水 及农田灌溉用水的跨流域大型调水工程，该工程中的樟洋渡槽设计流量q = 9 0 3 s ，采用预应力混凝土u 型槽身，纵、横两个方向施加预应力，槽壁仅厚3 0 c m ， 一节槽身跨度达2 4 m ，同时，又将桥梁工程的先进施工技术移动模架施工方 法用于渡槽施工，取得了良好的经济效益和社会效益。 改革开放以来，随着经济及社会的发展，城市生活用水及工业用水比重增长 很快，中国的供水矛盾已集中到城市，主要用于发展城市、发展工业和保护环境， 农业用水的重点转为节约用水和提高用水效率。为了解决我国水资源分布不均与 供水需求不完全相适应的问题，需要对水资源做重新分配，由此南水北调工程列 入了国家计划。在南水北调工程的总干渠上，规划修建4 9 座大型渡槽，大部分 渡槽设计流量都在3 0 0 m 3 s 以上。目前世界已建成的最大渡槽为印度戈麦蒂 ( g o m t i ) 渡槽，是萨尔达萨哈亚克调水工程总干渠跨越戈麦蒂河的大型交 叉工程，槽身长3 8 1 6 m ，设计流量3 5 7 m 3 s ，过水槽宽1 2 8 m 、槽高7 4 5 m ，槽 中水深6 7 m ，下部支撑结构为空心槽墩和沉井基础。 由于南水北调中线工程总干渠为自流输水，水头紧张，可以分配给各座渡槽 的水头损失较小，因而槽身过水断面很大，不少渡槽水面总宽在2 5 m 以上，水深 大于5 m ，其规模大大超过了戈麦蒂渡槽。南水北调中线干渠上的漕河渡槽是目 前我国在建或已建成的规模最大的输水渡槽，也是南水北调中线京石段应急供水 工程的重要组成部分。设计等别为一等，建筑物等级为i 级；建筑物设计防洪标 准为1 0 0 年一遇，校核防洪标准为3 0 0 年一遇；渡槽槽身全长2 3 0 0 m ，渡槽设计 输水流量为1 2 5 一s ，加大流量为1 5 0 m 3 s 。对于如此大型的渡槽，在确保安全 的i i 提下，如何使工程达到经济合理，必然给规划、设计、施工带来一系列需要 研究解决的新问题。可以预见，随着南水北调工程的实施，渡槽这一建筑物在结 构型式、设计理论、新材料的运用及施工技术等方面，将会有一个更新更大的发 展。 1 2 水工混凝土温控防裂方法研究进展 1 2 1 水工混凝土温度场和应力场的研究方法 大体积混凝土结构温度场计算方法很多，可从不同角度予以归纳。一般来讲， 可以分为以下五类7 ，8 1 ，它们是精确分析解法、近似分析解法、数值解法、图解 法及各种实验方法。 4 第一帝绪论 精确分析解法指以数学分析为基础求解导热定解问题，得到以函数形式表示 的准确解，且最后得到的函数形式的解在导热区域内逐点满足导热微分方程定解 问题。若导热定解问题可表示为较简单的常微分方程的定解问题，则用分析解法 比较成熟，求解的方法也较容易。若导热定解问题为偏微分方程，采用精确分析 解法较为复杂，常见的求解方法包括分离变量法、拉普拉斯变换法、格林函数法 等等。 与精确分析方法类似，近似分析解法得到的也是以函数形式表示的解，也是 一种连续的温度分布。但精确分析解法所得到的函数形式在求解区域内逐点精确 地满足导热微分方程定解问题，而近似分析解所得到的函数形式在求解域内每点 处只是近似地满足原导热微分方程定解问题。但近似分析解法在整个求解区域内 能满足能量守恒，这与精确分析解是相同的。在近似分析解法这个命题下，还包 含有很多不同的求解方法，常见的有积分法。 数值解法是以离散数学为基础的一种求解方法。它所得到的结果是求解区域 内有限个离散点上的温度值，只要离散点分布得足够稠密，离散点上一系列的温 度值就能近似地代表连续的温度分布。常见的数值解法有差分法与有限单元法。 图解法与实验的方法在传热学的历史上都曾是求解导热问题的有效方法，但 是随着计算理论和技术的不断发展，它们的应用领域已同趋缩小。 精确分析解法的主要优点是，整个求解过程中物理概念与逻辑推理比较清j 晰，求解过程所依据的数学基础大都已有严格的证明，求得的解精确可靠且能比 较清楚地表示出各种因素( 如坐标、时间、各定解条件) 对温度分布的影响。由 于这些优点，精确分析解的结果常作为近似分析解法和数值解法所得到结果正确 与否的一种检验。它的缺点是，精确解法只能用于求解比较简单的问题，对于一 些稍微复杂一点的问题就无能为力。相对来说，数值解法的优点是，它对于实际 问题有很大的适应性。由于电子计算机技术的飞速发展，数值解法求解的速度与 精度已得到了迅速的提高。 与混凝土温度场计算方法相对应，温度应力的计算方法可以分为分析法和数 值解法。在实际工程中，结构往往比较复杂，目前主要采用有限单元法来求解温 度应力。 1 2 2 水工混凝土温控防裂仿真分析发展状况 1 9 6 8 年美国加州大学土木工程系教授w i l s o n 为美国陆军工程兵团首先研制 了一个大体积混凝土结构分期施工的二维温度场有限元仿真程序d o t - d i c e ，并 成功应用于德沃夏克坝( d w o r s h a l ( ) 的温度场计算9 1 。1 9 8 5 年美国陆军工程兵 团的工程师t a t r o 和s c h r a d e r 进一步修改了该程序，将其用于美国第一座碾压混 河海人学顾i ：学位论文 凝土坝( r c c d ) 柳溪坝( 、m l l o wc r e a l ( ) 的温度场分析【1 0 】，他们第一次把 结构计算与施工过程结合起来，用逐步递推的方法，求出了不同时期坝体的温度 场，且计算结果和实测结果吻合得相当好，该项研究成果被认为是温度场有限元 仿真分析的第一份文献。由于当时很难提出一个可靠的弹性模量和徐变随时间变 化的关系，因此，几乎和温度场仿真程序d o t d i c e 同时期编制完成的二维徐 变应力分析程序一直没有被广泛的应用。1 9 9 2 年，巴瑞特( p k b 勰t t ) 等】 介绍了三维温度应力计算软件a n a c a p ，其创造性在于把b a z a n t 的s m e 锄狙 c m c k 开裂模型引入到温度应力的分析中。 近年来，日本学者在混凝土温度徐变应力的物理仿真研究上，走在世界的前 列。他们首先用有限单元法或差分法计算坝体温度场，找到几个特征温差后，再 计算三维应力场，并以此预测了宫濑坝在施工期和运行期丌裂的可能性。他们通 过大量试验证明：与大体积混凝土连接紧密的应力计，可以方便地测出混凝土各 部位的温度应力，并且断言，只要与温度应力有关的材料参数精度足够，其实测 的温度应力的精度也就足够。鉴于通常很难给出符合实际的大体积混凝土施工期 的热学和边界性质，1 9 9 2 年日本t o b i s h i m a 公司发表了根据实测资料以有限元为 基础求热学和边界性质参数的反分析方法【1 2 1 ，该方法可以为准确预测温度和应力 的坝体混凝土提供可靠的参数。 我国水工混凝土温度场与徐变应力场仿真分析技术，在朱伯芳院士等一批前 辈的奋斗下一直处于世界先进水平。朱伯芳院士从二十世纪5 0 年代开始，就致 力于大体积混凝土温度应力和温度控制的研究，并发表了许多这方面的论文【i3 1 ， 其专著大体积混凝土温度应力与温度控制对著者自己以及国内外的研究成果 进行了概括和总结【1 4 】，成为国内混凝土温控防裂研究最有用、影响最大的参考书。 河海大学在上世纪7 0 年代后期丌始进行大体积混凝土施工期温度场、徐变应力 场的计算分析工作【1 5 - i9 1 。丁宝瑛教授等在温度应力计算中考虑材料参数变化的影 响，比如温度对混凝土力学性能的影响、混凝土拉压徐变不相等时的影响等【2 川： 黄淑萍教授等较为深入地研究了碾压混凝土层面的温度徐变应力状况【2 i 】；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 2 刀1 ；四川联合大学李国润研究了不同浇筑速度对温度应力的 影响以及用现场测定的基岩各向异性热学参数分析混凝土基础温度徐变应力【2 4 1 。 大连理工大学黄达海博士、高政国等结合沙牌碾压混凝土拱坝温度场进行仿真计 算，并推荐了上下层结合面初温的赋值方法【2 弛7 】。近年来，河海大学朱岳明教授 等在水工混凝土温度应力仿真方面也取得了一些成梨2 2 1 。天津大学赵代深、李 广远【3 3 - 3 5 】；大连理工大学黄达海、高政国【3 6 3 8 】等学者在温度应力仿真方面也取得 了大量成果。 6 第一章绪论 1 3 问题的提出 渡槽是一种经济性和安全性都很好的输水建筑物。渡槽的热力学性能是由渡 槽的几何特征、混凝土的热力学性能、气温和过水水温的演变及只均太阳辐射特 性【3 9 】来确定的。渡槽一般属于大跨度、薄壁结构，受外界气温和过水水温的影响 比较大，因此渡槽在施工期和运行期的温度场变化也比较大。由温度变化而使混 凝土产生的应力占渡槽整体结构所受应力中的相当大的一部分。由于渡槽是一种 典型的大跨度、薄壁水工建筑物，在施工期由于混凝土温度场的变化可能在渡槽 结构尺寸较大的主梁、墙体等部位出现较大的温度应力，当应力超过了混凝土的 极限强度，或其应力变形超过了混凝土的极限变形值，混凝土就会产生裂缝。 国内外许多渡槽由于各种不同的原因产生了裂缝。在这些裂缝中，无论是主 梁或墙体外表面裂缝还是墙体过水面的裂缝，它们的危害性都是十分严重的。这 些裂缝不但破坏了渡槽结构的整体性，改变了设计安排的应力分布和槽身的受力 条件，而且随着裂缝的进一步发展和扩张，使得混凝土内部的钢筋暴露在空气中 或与水接触，会加速钢筋的锈蚀，从而有可能使局部结构甚至整体结构发生破坏。 并且裂缝使得混凝土中的某些化学成分进入输送的水体中，影响输水水体的质 量。 渡槽裂缝的例子有很多，引起渡槽裂缝的原因也很多。在槽身混凝土施工 期，主梁和墙体混凝土很容易出现裂缝，主梁和墙体混凝土内部温度过高是引起 裂缝的一个重要原因；寒潮是引起表面裂缝的重要原因，而且在一定条件下表面 裂缝会发展成深层或贯穿裂缝；由于基础温差或内外温差而在墙体内产生的温度 应力，遇到孔口、尖角、形状突变等引起应力集中的结构形状时，拉应力往往成 倍增加，从而产生裂缝。 近年来随着南水北调工程中一大批大、中型输水渡槽工程的上马【柏1 ，渡槽 施工期的裂缝问题已越来越引起人们的重视。由于渡槽大多使用高性能泵送混凝 土，混凝土强度等级高，单位体积水泥用量大，在夏季浇筑槽身混凝土引起的温 度应力问题特别突出。在环境参数与材料参数一定的情况下，解决温度应力的主 要工程措施是施工过程中的温度控制。由于温控措施与施工过程紧密相连，需要 采用仿真分析技术。 为了防止出现危害性裂缝，在渡槽设计中应进行详细的温度应力分析【4 1 ，4 2 】， 特别要对整个施工过程进行详细的仿真计算，制定合理的温控防裂措施【4 3 ，4 4 1 ，引 导施工，加强管理，制定合理的施工方法【4 5 】以及在施工过程中尽可能做到严格执 行。 水管冷却导热降温的温控措施在混凝土坝的建设中是最常采用的方法之一， 近年来这一温控措施在水闸、泵站等一系列体积相对较小的水工建筑物中得到了 i 叮海人学硕l ：学位论文 应用和推广，并且取得明显的温控防裂效果4 6 4 7 】。鉴于此，本论文中把水管冷却 技术引进到高性能泵送混凝土渡槽工程施工期的温控防裂中来，以解决当前南水 北调工程中二批大型渡槽的裂缝问题。 1 4 主要研究内容 本文结合南水北调高性能混凝土防裂研究这一科研项目中的水北沟渡槽高 性能泵送混凝土施工期温控防裂研究这一课题，主要完成以下几方面的研究内 容： 1 在查阅大量国内外文献资料的基础上，本文系统的介绍了渡槽工程作为 输水建筑物的作用以及国内外渡槽工程的发展情况，阐述了温度应力的研究方法 和研究现状。 2 介绍了高性能泵送混凝土材料主要的热学、力学特性。 3 本文阐述了混凝土温度场、应力场的基本理论和求解方法，以及水管冷 却混凝土温度场问题的迭代求解方法，接着介绍了用于渡槽工程仿真计算的三维 有限元温度场和应力场计算的仿真计算程序。 4 本文介绍了反分析方法的基本理论和求解方法，结合南水北调中线漕河 渡槽，应用遗传算法反演了混凝土的相关热学参数。 5 列举了渡槽工程中常见的裂缝形式、裂缝危害和裂缝产生的机理，介绍 了高性能泵送混凝土渡槽槽身施工中常用的温控防裂方法。 6 对水北沟高性能泵送混凝土渡槽工程温控防裂研究这一课题展开了深入 的研究，提出不同季节、不同现场施工条件情况下应采取的温控措施。 第二章i 卉件能泉送混凝十材料的热力学特十牛 第二章高性能泵送混凝土材料的热力学特性 要准确地对实际水利工程中混凝土的温度场、应力场进行精密地仿真计算 分析，首先必须对混凝土的各种热、力学性能及其相关参数进行准确的描述。由 于混凝土是由胶凝材料，粗、细骨料，水和空气以及必要的外加剂组成的一种复 合材料，所以其性能又与其组成材料的各自性能有关。这里只介绍在高性能泵送 混凝土中，有关温度应力和温度控制计算中涉及到的一些特性。 2 1 高性能混凝土概述【4 8 】 1 9 9 0 年5 月在马里兰州g a i m e r s b u r g 城，由美国n i s t 和a c i 主办的讨论 会上，高性能混凝土定义为具有所要求的性能和均质性的混凝土，这些性能包括： 易于浇筑、捣实而不离析；高超的、能长期保持的力学：生能：早期强度高、韧性 高和体积稳定性好；在恶劣的使用条件下寿命更长。也就是说高性能混凝土要求 高的强度、高的流动性与优异的耐久性。 但是不同的学派，根据实际工程的要求，对高性能混凝土的看法有所不同： 一、m e t h a 为代表的美、加学派的观点 他们强调的是硬化后混凝土的性能。m e t h a 认为对于近年来建造的暴露于腐 蚀环境下的混凝土结构，其受腐蚀的速率之快表明：抗压强度指标已不足以保证 其长期耐久性，而耐久性应当放在高性能混凝土的首位。 二、以冈村为代表的一部分日本学派的观点 这一学派认为高流念、免振自密实的混凝土就是高性能混凝土。也就是说他 们强调的新拌混凝土的性质，其理由是：1 、混凝土技术熟练的工人越来越少， 自密实混凝土用不着什么技术都可以保证混凝土的施工质量，也可以保证施工速 度；2 、可以有效地减少混凝土施工时的环境噪音。 三、日本大多数学者和工业界的观点 他们强调的任然是高强、超高强与高流态混凝土。因为高性能混凝土首先必 须要高强度。 r 本建设省综合技术丌发计划“钢筋混凝土结构建筑物的超轻量和超高层技 术的丌发( 简称新r c 总计划) ，从1 9 8 8 年丌始为期5 年的工作，获得了大量 的科研成果，并在工作中获得了试验验证与工程应用，受到人们的普遍关注。 四、我国学者的观点 高性能混凝土必须是高强度，或者说，高强混凝土属于高性能混凝土的范畴； 9 i i i 海人学硕i ：学位论文 高性能混凝土必须是流动性好的、可泵性好的混凝土，以保证施工的密实性；高 性能混凝土一般需要控制坍落度损失，以保证施工要求的工作度；耐久性是高性 能混凝土的最重要的技术指标，但混凝土达到高强度后，很自然会具有高性能， 也即具有高的耐久性。当然耐久性还要与使用的环境相结合，采取相应的措施， 仅仅是高强度是不够的。 本文中所涉及的高性能泵送混凝土是和普通的水工混凝土相比，强度较高， 达到c 5 0 ，水泥的水化热和普通的水工混凝土相比较大。因此，这就增加了施工 中温控的难度和力度，特别是在高温季节施工。 2 2 高性能泵送混凝土热学性能 高性能泵送混凝土和普通水工混凝土一样，它的热学性能主要包括导温系 数口( 肌2 j j l ) 、导热系数五陋( 历j i l 。c ) 】、比热c 陋( 培。c ) 】、密度p ( 堙历3 ) 、 水化热或绝热温升口等。不同工程混凝土原材料的配合比有很大差别，因此这些 参数也有较大的差别，对混凝土防裂也有不同程度的影响。根据导温系数的定义， 有 口：互( 2 1 1 )口= k 厶i 1 ， c p 高性能泵送混凝土的热学性能应由试验测定，只需测定其中三个，另一个可由上 式计算【1 4 】。混凝土的热学性能与骨料、容重及含水状态有关。 导温系数是反映混凝土热量扩散的一项综合指标，又可称为热扩散系数。 导温系数愈大，愈有利于热量的扩散。影响混凝土的导温系数主要因素有：1 混凝土的导温系数随着骨料用量的增多而加大；2 砂石种类对混凝土导温系数有 较大的影响；3 试验龄期对混凝土导温系数没有明显的影响【4 9 1 。 反映混凝土传导热量难易程度的一种系数称为导热系数。影响混凝土导热 系数的因素，主要是骨料的用量，骨料本身的热学性能，混凝土的温度及其含水 状态，并有以下几点规律：1 导热系数与混凝土的容重大小有关；2 导热系数随 着含水量的增多而加大，并随温度的增高而加大；3 导热系数与其试件厚度有关， 厚度大，导热系数也大【4 9 1 。 2 2 1 水泥的水化热 水泥水化热是单位质量水泥中的各种化合物与水反应的过程中放出的热 量，以j g 表示。影响水泥水化热的因素很多，包括水泥熟料矿物成分、水泥细 度、混合物掺量及质量、水狄比、养护温度等，但主要取决于熟料的矿物的组成 1 0 第二章 i 南性能泉送混凝十材料的热l j 学特件 与含量。降低c 3 a 含量对限制水泥放热量是有利的。 随着高性能泵送混凝土在水工建筑物中的广泛使用，混凝土中水泥在水化 硬结过程中发出数量可观的水化热导致混凝土温度升高的情况愈来愈受到人们 的重视。混凝土是一种热的不良导体，具有很大的热延迟性和热惰性；浇筑过程 中散发出来的水化热在自然传热条件下极难传递，因而其内部的温度往往需要相 当长的时间才能稳定，并且体积愈大愈需要更长的时间。高性能泵送混凝土中水 泥的含量比普通混凝土更大，在混凝土浇筑后容易形成较大的温差和温度应力， 容易引起温度裂缝，给工程带来不同程度的危害。 水泥的水化热是依赖于龄期的。在工程中，人们不仅关心水泥的水化放热 总量，而且更关心水化的快慢。在影响水化速率的因素中，水化时的温度非常重 要，一般地，水化温度的升高将使水化速率增大；另一个影响水化速率的因素是 水泥的细度，因为较细的颗粒存在较大的比表面积，早期水化速度就快，对不同 颗粒同一时间水化程度一般是一致的，这样比表面积越大，水化程度也越大。 水工混凝土用的水泥不仅水化热要低，且应有适当的强度。在选择水工混凝 土采用何种水泥，应当把抗压强度、坍落度和混凝土的绝热温升综合起来考虑。 某些水泥的水化热虽然较小，但强度却很低，在配置混凝土时，需用较多的水泥， 结果混凝土的发热量可能比采用水化热较大、强度较高的水泥时用量还要多，使 用这种水泥是不适宜的。另外，在相同坍落度的条件下，不同品种的水泥对混凝 土的需水量是不一样的。因此可以认为，在满足指定强度和坍落度的条件下，混 凝土发热量较小，水泥就越适用。 应当指出，降低混凝土发热量的途径，除了选用低热或中热水泥外，还应 在满足设计标号和坍落度的条件下，尽可能减少水泥用量，采用较小的水灰比和 较低的浇筑温度等措施【4 9 1 。 2 2 2 绝热温升理论 在确定混凝土结构早期温度场的计算中，绝热温升是混凝土的重要物理指 标，它影响到混凝土的水化热温升、最高温度、基础温差和内外温差。 目前采用的混凝土绝热温升计算公式有以下几种： ( 1 ) 指数式 口( f ) = 岛( 1 一p 1 7 ) ( 2 2 1 ) ( 2 ) 双曲线式 口( r ) = 岛f + f ) ( 2 2 2 ) ( 3 ) 复合指数式口( f ) = 岛( 1 一p 1 一) ( 2 2 3 ) 其中：r 为龄期，皖为最终绝热温升，仂、刀、a 、6 等为常数。一般后两式与 河海人学硕l ：学位论文 实验资料符合较好。 影响混凝土绝热温升的因素包括水泥品种、水泥用量、混合材料品种、用 量和浇筑温度。混凝土绝热温升最好由实验测定，在缺乏直接测定的资料时，可 根据水泥水化热估算。 水泥品种对绝热温升的影响主要是由于水泥矿物成分的不同。水泥越细， 发热速率越快，但水泥细度不影响最终发热量。掺加混合材料对混凝土绝热温升 有重要影响。 2 2 3 绝热温升新