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混凝土结构施工期温控防裂方案优选分析 　　摘要：优选结果表明，在适时合理的表面保温和通水方式下可以获得良好的温控防裂效果。该方法对类似工程具有一定的参考价值。 　　关键词：方案优选；温控防裂；应力场；温度场；仿真计算 　　 　　1前言 　　随着国民经济和基础设施的快速发展，水闸、倒虹吸、渡槽、泵站等水工混凝土结构层出不穷，随之而来的裂缝问题也越来越值得关注。工程经验表明，混凝土结构施工期裂缝产生的主要原因是温度荷载，而且是由于早期混凝土结构的内外温差和后期的基础温差（收缩变形）引起的[1-2]。因此，做好施工期的温度控制就成为工程质量保证的关键。 　　表面保温和内部水管降温相结合是防止这类裂缝产生的新方法[3-5]。单纯的表面保温能减小结构早期的内外温差，防止早期裂缝产生，但是会增大混凝土温升和温降幅度，加大后期冷缩应力；冷却水管可以减小结构内外温差和早期温升幅度，但要求通水时间、水温和流量合理得当。本文针对这一问题，依托曹娥江河口大闸，仿真计算了不同表面保温和通水冷却方式组合情况下温控效果，并进行对比分析，筛选出适时合理的温控防裂方案，指导现场施工。 　　2计算原理与方法 　　2.1 不稳定温度场基本理论和有限元方法。在计算域R内任何一点处，不稳定温度场T（x，y，z，t）须满足热传导方程 (1) 式中： 为温度（℃），a为导温系数（m2/h）， 为混凝土绝热温升（℃）， 为时间（d）， 为龄期（d）。 　　利用变分原理，对式（1）采用空间域离散，时间域差分，引入初始条件和边界条件后，可得向后差分的温度场有限元计算递推方程 (2)式中：[H]为热传导矩阵， [R]为热传导补充矩阵，{Tn}和 {Tn+1}为结点温度列阵， {Fn+1}为结点温度荷载列阵，n为时段序数， 为时间步长。根据递推公式（2），有已知上一时刻的结点计算温度{Tn}可以推出下一时刻的结点温度{Tn+1}。 　　2.2 水管冷却混凝土温度场计算原理与方法。根椐傅立叶热传导定律和热量平衡条件，可得水管沿程水温的增量 (3)式中： 分别为冷却水的流量、比热和密度； 为导热系数；n为混凝土与水管之间混凝土面的外法线。 　　由于冷却水的入口温度已知，利用上述公式，对每一根冷却水管沿水流方向可以逐段推求沿程管内水体的温度。水管的沿程水温计算与温度梯度 有关，因此带冷却水管的混凝土温度场是一个边界非线性问题，温度场的解无法一步得出，必须采用迭代解法逐步逼近真解。 　　2.3 应力场基本理论和有限元方法。混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积应变增量，因此有 (4)式中： 为弹性应变增量， 为徐变应变增量， 为温度应变增量， 为干缩应变增量， 为自生体积应变增量。 　　由物理方程、几何方程和平衡方程可得任一时段 在区域 上的有限元支配方程 (5)式中： 为区域 内所有节点三个方向上的位移增量， 、 、 、 和 分别为 时段内由外荷载、徐变、变温、干缩和自生体积变形引起的等效结点力增量。 　　3曹娥江水闸温控防裂措施研究 　　3.1 工程概况。曹娥江大闸枢纽工程位于浙江省绍兴市，钱塘江下游右岸主要支流曹娥江河口，是浙东引水工程的配水枢纽。工程为Ⅰ等工程，主要建筑物为一级建筑物，挡潮泄洪闸总净宽560m，共设28孔，闸孔净宽20.0m，闸墩长度25m、高10.5m、厚4m，闸底板厚2.5m，长26m。大闸采用高性能混凝土，全年施工，混凝土的温控防裂任务复杂而艰巨。 　　3.2 温控防裂方案。曹娥江大闸采用高性能混凝土，全年施工，限于篇幅，这里仅以某季节施工的闸墩混凝土为例，采取表面保温、内部水管降温的温控方法。为了达到最佳温控效果，进行了多参数、多组合的数值仿真计算，不同组合的温控方案见表2。 　　上述方案的设定是依次进行的，后一种方案是在前一种方案计算结果的基础上，根据现场施工条件和计算结果中存在的问题而提出的，因此整体上是一个逐步优化的过程，以期逐步达到最终提供优选温控方案的目的。 　　3.3 计算结果分析。研究对象是闸墩上典型点的温度和σ1， 1和2号典型点位于胸墙下部、顺水流方向闸墩中间部位，3和4号典型点位于门槽处，详细布置见图1。仿真计算结果见图3-图6所示。对比分析不同方案下混凝土典型点温度和应力变化过程，可得： 　　（1）通水时间的长短对混凝土温度和应力的影响很大，通水时间越长，混凝土降温速度越快，降温幅度越大，因降温收缩而产生的拉应力也越大，见图3和图5。通水时间5天时，闸墩混凝土温度基本降至30℃以下，且降速和降幅都较大，使得混凝土拉应力最大值明显大于通水2.5天的情况。 　　（2）在通水2.5天情况下，对于闸墩下部位的混凝土而言，停水时混凝土温度已过