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【摘要】本工程的船闸闸室设计采用整体式大跨度结构，属大体积混凝土，设计和施工从多方面采取多重有效控制措施，工程实施后，裂缝常见部位始终未有裂缝发生。实践证明，本工程在大跨度、大体积混凝土结构抗裂方面取得了很好的实施效果。
【关键词】江边枢纽整体闸室大跨度；大体积混凝土；抗裂
Hydraulic design of mass concrete cracking—— Take matang River hub cracking chamber long-span structures experience summary
Gao Xing-he,Tao Lei,Chen Xing-kui
(Taihu Lake in Jiangsu Province Water Resources Planning and Design Institute Co., LtdSuzhouJiangsu215128)
【Abstract】The lock chamber design project using integrated long-span structures, it is a large volume of concrete, design and construction to take different measures to effectively control multiple, project implementation, the crack has not been common parts of the cracks occurred. Practice has proved that this works in large-span, crack of mass concrete structures has made a good implementation of the results.
【Key words】Riverside hub span the whole chamber;Mass concrete;Crack
1. 引言
经国家和省发改委审批实施的走马塘江边枢纽工程是走马塘在长江交汇口处设置的重要控制性建筑物。其中，船闸闸室采用钢筋混凝土整体大跨度结构，属大体积混凝土结构（见图1），设计和施工采取多重控制措施，有效地避免了结构有害裂缝的产生，在结构抗裂方面取得了较好的实施效果。
2. 工程概况
工程位于张家港市境内的七干河入江口处，由节制闸、船闸和鱼道三部分组成，是水利结合航运的通江控制性枢纽建筑物。其中，船闸按通行1000t标准货船设计，闸室总长240m，净宽23m。
闸室基础坐落在松散粉砂土地基上，厚度6~10m，中等透水，地基允许承载力85Kpa，为透水软弱地基，需结合结构设计进行相应的地基加固处理。下卧层为中密~密实的砂壤土，承载力较高。
3. 大体积混凝土的定义
3.1国内相关规范的定义。
JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》定义大体积混凝土为：混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，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。
GB50496-2009《大体积混凝土施工规范》的第2.1.1条定义为：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。
3.2国外相关规定。
美国混凝土学会规定：任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大的限度减少开裂。
日本建筑学会（JASSS）标准的定义是：结构断面最小尺寸在80cm以上，同时水化热引起的混凝土内最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土称之为大体积混凝土。
4. 大体积混凝土裂缝成因分析
国内外大量实践证明，各种大体积混凝土裂缝主要是温度变化引起的，是混凝土自身强度和抵抗变形的能力与温度应力和应变同步矛盾发展的结果。温度变化导致混凝土体积胀缩变形，当其内外部受到约束不能自由变形时，就会积聚应力，其中，大体积混凝土后期的温降或失水将导致混凝土收缩产生拉应力，当拉应力达到并超过混凝土自身抗拉强度时，就导致混凝土结构裂缝的发生。
大体积混凝土温度变化分为温升和温降两个阶段，温升阶段发生早而快，温降阶段相对迟而缓。大体积混凝土在浇筑和强度发展过程中，早期温度迅速上升，通常3~5d达到峰值，持续一段时间后开始缓慢降温。温度升降变化产生体积胀缩，其线胀缩值符合△L=Lo•a•△T的规律。
混凝土的特点是抗压强度高而抗拉强度低，而且，混凝土导热性较差，散热慢。在混凝土浇筑成型的早期，其内部的温度会很快升高，其中，水泥水化放热是混凝土内部温升的主要原因，而大体积混凝土结构物一般断面较厚，水泥释放的热量聚集在结构物内部不易散发。混凝土在早期快速升温阶段总体上处于热膨胀状态，由于早期混凝土的强度和弹性模量都很低，混凝土自身约束小，徐变大，温度升高产生内部超强拉应力的可能性较小，所以早期温升阶段的体积膨胀一般不会对混凝土产生有害影响，通常不会产生混凝土内部裂缝。但在后期的温降阶段，混凝土从热膨胀的最大变形开始降温收缩，随着混凝土龄期和强度的增长，弹性模量逐渐增高，对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大，加上外部约束（如地基或先期成型混凝土的固支约束）作用，降温收缩与失水干燥收缩叠加在一起时，大体积混凝土内部或外表面将产生超强的拉应力，当拉应力达到并超过混凝土自身抗拉强度时，就会导致混凝土结构裂缝的发生。起初的细微裂缝会引起应力集中，裂缝可逐渐加宽加长，甚至产生结构有害裂缝。
5. 大跨度闸室结构的大体积特征
本工程船闸闸室采用水泥搅拌桩复合地基上的倒“∏”型钢筋混凝土整体结构（见图1），混凝土強度等级为C25，结构设计主要尺度：闸室分节长度15m，共16节，闸室净宽23m，闸室底板总宽28m，闸室墙高10.3m，根据结构承载需要，底板断面设计为变截面结构，厚1.6~2.8m，地基约束条件为底板底面与粉砂土上的水泥搅拌桩复合地基直接接触；墩墙为固支于底板上的悬臂式变截面结构，根部厚1.6~2.6m。常规施工条件下，底板与墩墙一般需分先后浇筑施工，墩墙底部受先期成型的底板结构的约束。对照以上关于大体积混凝土的相关规定，由于结构跨度较大，设计需要结构厚度将超过1m，且闸室结构单体体积1385m3，结构体量较大，根据工程实践经验，结构内外温度变化和混凝土收缩，将导致闸室结构在底板顶面以及墩墙根部以上约三分之一的高度范围内可能产生有害裂缝，显然，本工程的大跨度整体闸室结构应归类于大体积混凝土结构，需按大体积混凝土的设计要求采取相应抗裂措施。
6. 抗裂设计措施
大跨度整体闸室结构如何避免有害结构裂缝的发生，是本工程闸室大体积混凝土结构设计实践成败的关键。大量的研究成果表明，大体积混凝土结构物中的温度裂缝是不可避免的，重要的是采用合理的措施来防治和控制裂缝的发展。
根据裂缝成因分析，大体积混凝土裂缝的主要影响因素涉及结构物的体型大小，约束条件、混凝土的各种组成材料的特性以及施工条件等诸多因素。结合整体闸室大体积混凝土结构特点，本文侧重于总结设计环节所采取的相应抗裂措施，尽量消除各种抗裂不利因素，确保该结构不出现有害裂缝。
图1大体积混凝土结构
6.1抗裂设计的结构措施。
结构设计时，通过对大跨度结构的设计优化，从地基约束、结构尺度、体量以及抗裂配筋等方面，尽量消除抗裂设计中各种对结构抗裂不利的因素，满足大体积混凝土抗裂设计要求。
6.1.1改善地基约束条件。
本工程为松散的粉砂土地基，中等透水，承载力仅85Kpa，为了满足弹性地基条件下的常规结构设计需要，一方面，通过降排水对砂性土地基进行预压密实，另一方面，采用水泥搅拌桩复合地基，复合土层压缩模量大大提高，地基承载能力和抵抗变形的能力随之提高，对结构受力较为有利，复合地基条件较天然地基有较大改善。
6.1.2合理选择结构块体尺度。
结构单体尺度越大，受地基约束的影响就越大，合理确定结构块体长度，可改善大体积混凝土来自地基的约束作用。本工程整体式闸室底板宽度方向尺度达28m，已用足规范规定的最大结构单体尺度，长度方向应考虑地基约束条件对大体积混凝土结构的不利影响，结构尺度宜小不宜大，根据通航尺度及相关设计需要，闸室总长240m，分节尺度取15m，共分为16节。
6.1.3大体积混凝土结构体量优化。
满足防渗、抗浮、承载等设计需要，在合理确定结构块体尺寸的基础上，还应尽量控制单体结构体量，根据结构设计需要，断面体量需大就大，宜小则小，工程设计过程中，依据不同工况条件下的计算成果，通过设计优化，节省混凝土工程量的同时，进一步精减冗余或不需要的结构体量。
满足弹性地基条件下的常规结构设计需要，大跨度闸室结构厚度应满足1/10~1/8跨度的要求，底板厚度应在2.8m~3.5m之间取值，如采用天然地基，虽然勉强满足要求，但由于地基条件较差，底板厚度取值宜大不宜小，由于结构厚度增大，地基应力较大，将导致闸室沉降变形增大，对大跨度、大体积混凝土结构受力较为不利。
设计通过简单的地基处理，不但改善地基约束条件，而且，边荷载作用影响明显减小，计算成果显示，大跨度底板结构跨中内力明显减小，底板厚度取下限值即可满足要求，经设计优化后，闸室底板的大体积混凝土厚度由3.3m减小为2.8m，底板厚度减小0.5m，底板结构单体体量缩减量超过15%。
另外，结合弹性地基上的整体闸室结构受力特点，底板和墩墙均按变截面结构进行设计优化。一方面，悬臂式墩墙自底部向上为自由端，结构内力随挡土高度减小而逐渐减小，结构断面可按缩减渐变处理，墩墙厚度自下而上由2.6m渐变缩减为0.6m；另一方面，整体闸室结构的底板两端与悬臂式墩墙固支，设计对悬臂式墩墙底部固支节点处增设1m×1.5m贴角予以加强后，将底板两端各1/3跨长度范围内的底面向上渐变翘起1.2m，不但保证了底板与墩墙固支节点处的刚度，而且，施工开挖深度减小，挡土和挡水高度减小，两侧悬臂结构承受的内力和固支节点向大跨度底板传递的内力均大大降低。通过变截面设计优化，进一步减小大体积混凝土的结构体量。
6.1.4配置抗裂钢筋。
混凝土抗压、钢筋抗拉是普通钢筋混凝土的主要工作机理，二者有机结合，使得钢筋混凝土结构具有较强的承载能力。其中，混凝土结构中的拉应力主要由钢筋承担，对于大体积混凝土结构，当考虑温度作用影响，在温度应力作用下不满足抗裂要求时，应配置温度钢筋限制裂缝擴展。
由各种设计工况条件下的结构受力特点可知，整体结构中底板沿跨度方向在跨中面层和跨端底层内力较大，悬臂式墩墙受土压力、水压力作用，临土侧竖向内力较大，因此，底板顺闸宽方向和墩墙临土侧竖向均需按承载力极限状态（底板为受弯构件、墩墙为偏心受压构件）计算配筋，并按正常使用极限状态验算裂缝开展宽度，以上部位一般计算配筋较大；而底板垂直闸宽方向和墩墙水平向内力较小，一般均为架立、构造性配筋，配筋量较小。
在施工过程中，大体积混凝土的温度作用一般发生在混凝土浇筑成型期和混凝土固化期，早期的温度作用主要表现为升温膨胀，对尚未固结成型、具有较强徐变能力的混凝土基本无害，而有害的温度作用往往出现在混凝土固化期，温度作用表现为降温收缩产生拉应力。根据常规施工加载程序，此时大体积混凝土中温度应力一般不可能与设计常规荷载遭遇或组合，根据计算复核成果显示，按结构受力条件配置的受力钢筋一般均能起到限制温度应力的作用，其钢筋配置基本可满足温度作用的配筋要求，不需要额外增加温度钢筋；但在构造配筋的部位，由于大体积混凝土中不可避免的温度作用，按构造要求配置的架立钢筋，一般较难满足温度作用下的配筋需要。
对照规范中大体积混凝土的温度作用下的抗裂设计要求，闸室大体积混凝土的抗裂配筋需作专门设计，SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》第11.2条“关于大体积混凝土在温度作用下的裂缝控制”规定，对大体积混凝土中的架立钢筋，除了需要满足结构构造要求外，还要满足大体积混凝土温度作用的要求。根据大体积混凝土抗裂计算需要确定配筋量，通过钢筋的超强抗拉作用，有效限制裂缝扩展。
本工程为弹性地基上的大体积混凝土结构，利用混凝土应力松弛系数进行徐变温度应力计算。将时间划分为n个时段，计算每一时段首末的温度Δ Ti、混凝土线热涨系数αc 及混凝土该时段的平均弹性模量 Ec（τi ），然后求得第i时段Δ τi 内弹性温度应力的增量Δ σi ，并利用松弛系数考虑混凝土的徐变。
计算时刻t时的徐变温度应力σ*（t）可按下式计算：
σ*（t）=∑ni=1Δ σiKr（t,τi）(1)
式中：t ——计算时刻的混凝土龄期。τi ——在第i时段中点的龄期。Kr（t,τi）——混凝土的应力松弛系数。
大体积混凝土结构在温度作用下的抗裂验算宜符合下列规定：
σ*（t）εt(t) Ec(t) (2)
εt(t) =［0.655arctan(0.84t)］εt(28) (3)
Ec（t）=1.44［1-exp(-0.41t0.32)］Ec（28）(4)
式中：εt(t) ——计算时刻t时的混凝土允许拉应变。Ec（t） ——计算时刻t时的混凝土弹性模量。εt(28) ——28d龄期混凝土的允许拉应变，C25混凝土为0.6×10-4。 Ec（28）——混凝土的弹性模量。
根据抗裂设计成果，闸室结构的抗裂钢筋配置情况如下。
（1）底板抗裂钢筋。正常架立配筋14@200，计算成果显示，温度钢筋比主筋小，但比普通架立钢筋大，本工程按18@200配置。
（2）墩墙抗裂钢筋。正常架立配筋14@200。由于温度作用早于其它荷载出现，设计将墩墙水平分布钢筋布置于外层；对厚度较大且受底板约束较大的下部约1/3高度范围内的墩墙水平分布钢筋，经抗裂验算，实际配筋为16@100。
（3）设置抗裂暗梁。在大体积混凝土内部出现较大拉应力、计算必须配置抗裂钢筋时采用。可在大体积混凝土的适当部位，设置一道或几道抗裂暗梁，配置抗裂钢筋，限制混凝土内部裂缝扩展。本工程架立筋加大并采取了有效的温控措施后，抗裂验算均满足要求，不需要再设置抗裂暗梁。
6.2抗裂设计的温控措施。
6.2.1温控原理。
大体积混凝土中，水泥水化热引起温升，在绝热状态下混凝土内部的温度可用SL191-2008规范的相关公式计算：
T=T0+Tt(5)
Tt=WQt(1-0.75p)/Cρ(6)
Qt=Q0［1-exp(-mtn)］(7)
式中：T——在绝热状态下不同龄期混凝土内部温度，℃。T0——浇筑温度，℃。Tt——在龄期t时绝热温升，℃。W——胶凝材料用量，Kg/m3。Qt——龄期t时的累积水化热，KJ/Kg。p——粉煤灰掺量百分数。C——混凝土比热，取0.96KJ(Kg•℃)。ρ——混凝土的密度，取2400Kg/m3。Q0——最终水化热，随水泥品种取值不同，KJ/Kg。m、n——常数；t——龄期，d。
实际上，由于混凝土浇捣时总是暴露在大气中，与大气存在热量交换，处于散热而非绝热状态中，混凝土由水泥水化热引起的温升远比绝热条件下最终水化热的温升要小。另外，混凝土内部最高温升还与浇筑块的厚度有关，块体越薄散热越快，最高升温越低；反之块体越厚散热越慢，则最高升温越高。因此，工程实践中引入一个与浇筑厚度有关的系数ξ，内部最高温度改用公式8计算：
T=T0+Ttξ(8)
根据相关研究成果显示，对于厚度超过1m的大体积混凝土内部绝对温升可达35~50℃，随结构厚度增大，内部绝对温升甚至更高。
由温差引起的变形和应力值可按公式9和公式10计算：
△L=L(t2-t1)α(9)
σt=Ec△L/L=Ec(t2-t1)α(10)
式中：△L——钢筋混凝土构件的变形值；L——构件的长度；t2-t1——温差，即温度变化值；α——温度膨胀系数；σt——混凝土温度应力。
混凝土降温时，热量从内向外传递扩散，表面散热快，温度低，从而形成内外温差，由上面理论公式计算出允许混凝土内外温差应是10℃左右。但由于结构构件不可能受到绝对约束，混凝土也不可能完全没有徐变和塑性变形，大量统计资料显示，多数工程混凝土的内外温差在10~25℃尚未开裂。因此，我国有关规范对这类大体积混凝土浇筑时规定内外温差宜控制在25℃之内，日本建筑学会(JASSS)直接将温差大于25℃的混凝土划归大体积混凝土。
另外，环境温度越低，产生内外温差也越大，引起混凝土开裂的机率增加，可采取表面覆盖等措施进行温差控制以防止混凝土表面散热过快。
根据以上理论分析，大体积混凝土施工中，考虑温度应力的影响，并设法减缓最高温升、降低混凝土内部的最高温度，减小其内外温差，是防止裂缝产生的最为直接和有效手段。
6.2.2温控措施。
温控措施因具有适用性和灵活性，以及能够控制整个结构物内部温度，在国内外得到广泛应用。
根据大体积混凝土温升原理，按温度作用的设计要求，结合工程实际情况和施工条件，闸室结构设计直接给出了有效可行的温控辅助措施，并明确提出混凝土内外温差控制小于20℃的设计要求。在混凝土内部预埋冷却水管，利用水管内流通的恒温冷水（4℃）带走大体积混凝土内部积聚的水化热，削减浇筑层水化热温升。
具体设计要求为：在每块混凝土浇筑之前，预先按设计要求布置并固定冷却水管，水管材料为铁管，支管管径1.5英寸，壁厚2mm，底板或墩墙上下均布置三层，水平及竖向间距均小于等于1m，每层支管设总管集中供排水，总管管径4英寸，结合本工程粉砂土地基以及地下水源较为充沛的特性，可直接引接降排水获得的地下水，作为恒温冷却水水源，用水泵和闸阀控制冷却水的循环或外排，混凝土中预埋适当数量的温度传感器，监控混凝土凝固过程中的内部温度，并根据检测数据调节通水量。通过通水冷却措施，降低混凝土结构内部温度，与外部保温、保湿措施共同作用，有效控制混凝土内外温差。通水结束后，水管内采用压力水泥浆充填封堵。
6.3抗裂设计的收缩补偿措施。
大体积混凝土所处降温阶段通常也是结构干燥失水的阶段，两种作用都将导致大体积混凝土收缩产生拉应力，互相叠加后破坏作用增强。鉴于此，如果设计采取适当的补偿混凝土收缩的措施，使得混凝土自身具有微膨胀、低收縮的特性，可大大改善混凝土自身抗裂性能。
6.3.1掺加高效复合型抗裂外加剂。
根据工程实践经验，结合设计调研，目前混凝土入仓浇筑施工技术基本为泵送，泵送混凝土坍落度较大，大体积混凝土产生水化热较高，混凝土自身胀缩变形较大，为了适度控制混凝土自身变形，设计采用适合于泵送的高效抗裂复合材料，掺量为胶凝材料的10％。该材料为多组份复合材料，主要成分为微膨胀剂和聚丙烯纤维，前者补偿混凝土的收缩，后者减小混凝土脆性，提高混凝土抗拉强度，加上保水组分及改性组分等多种材料的共同作用，从阶段抗裂、层次抗裂等多方面达到全程抗裂的目的。工程施工过程中，根据施工季节，掺用合适型号的高抗裂材料。
6.3.2掺加减水剂。
设计掺加高效缓凝型减水剂也是改善大体积混凝土自身抗裂性能的有效措施之一。可降低混凝土的单位用水量，从而降低水泥用量；缓凝型减水剂还有抑制水泥水化作用，可降低水化温升，还可延迟水化热释放速度，热峰也有所降低；同时，这种减水剂可以缓凝，在大体积混凝土中可以避免冷接缝，提高工作性及流动性，有利于泵送施工。
6.4抗裂设计的施工控制措施。
本工程设计环节尽管已经明确了多项抗裂措施要求，但大体积混凝土的抗裂是一个综合而复杂的课题，涉及各个环节的多种因素，其中，只要某个环节出现对抗裂不利的因素，就有可能导致裂缝发生，所以，仅从设计环节采取措施是不够的，工程施工时，必须按施工规范中大体积混凝土的相关要求实施，才能确保工程抗裂安全。根据相关规范要求，设计以施工图设计说明的形式，从原材料、配合比、施工温度控制以及大体积混凝土的养护等方面提出了相关施工技术要求。
6.4.1原材料及配合比控制。
水泥水化产生水化热是大体积混凝土发生温度变化而导致体积变化的主要根源。由于矿物成分及掺合料含量的不同，水泥的水化热差异较大。为了降低水泥的水化热、减小混凝土的体积变形，大体积混凝土需优先选用水化热较低的水泥，严格控制水灰比，降低混凝土绝热温升。
根据混凝土配合比设计原理可知，一方面骨料粒径越大，其表面积和空隙率越小，混凝土中水泥浆及水泥用量就越小，因此，应尽可能采用较大的骨料粒径。另一方面，还应千方百计地降低水泥用量，掺用混合材料。掺合料可以有效降低水化的峰值温度，推迟水化温峰的出现时间，随掺合料掺量的增大，温峰出现的时间延迟。本工程通过掺加优质（一级）粉煤灰，控制骨料粒径和级配，并添加适当的掺合料，优化混凝土配合比，从源头上控制混凝土的内部温升。
6.4.2施工温度控制及监测。
混凝土入模温度取决于各种原材料的初始温度，应严格控制混凝土入仓温度，必要时，混凝土入仓前可采取适当的降温措施。主要方法是施工时加冰冷却拌合水、骨料、水泥，尽量选择较低气温时段浇筑混凝土。
大体积混凝土的裂缝，特别是表面裂缝，主要是由于混凝土中产生了温度梯度。为了使大体积混凝土的内外温差降低，可采用混凝土表面保温的方法，使混凝土内外温差降低。常用的保温材料有模板、草袋、湿砂、锯末等，保温材料不仅要放置在混凝土的表面，还要注意结构物四周的保温。
对大体积混凝土内部各部位进行温度跟踪监测，可及时准确地掌握混凝土各个部位的温度变化，以便采取处理措施降低内部温度，保证工程质量。混凝土温升最快的阶段在浇筑后的1～5d，每1h读取数据一次，以后数据的读取时间可适当延长，最终，通过整理、归纳，形成系统的温控数据资料，本工程温控监测数据资料显示，按照设计温控措施加上施工辅助措施实施后，大体积混凝土内部最大温升得到有效控制，温控措施成功实施并十分有效。
6.4.3混凝土浇筑时段及养护。
注意合理安排混凝土浇筑施工时间，高温季节施工时，浇筑时间尽量安排在16时至翌日10时前进行，以减少混凝土温度回升。冬季施工时，应避免在夜间低温时段浇筑，同时应进行保温养护，在混凝土表面覆盖塑料薄膜，再用草帘覆盖保温，减小混凝土内外温差。混凝土浇筑后，安排专人及时洒水养护，并适当延迟侧向模板的拆模时间，以保持混凝土表面温度和湿度，避免气温陡降和快速失水引起混凝土表面的收缩裂缝。
7. 结语
本工程的大跨度整体闸室结构属大体积混凝土结构，设计通过改善地基约束条件、优化结构体量并采取布管通水冷却、掺抗裂外加剂以及配置温度钢筋等多个设计措施加以控制，结合施工环节的自拌混凝土原材料及配合比控制、温度控制及监测、浇筑及养护等方面的控制措施，有效降低大体积混凝土内部温升，控制内外温差在设计范围内。目前，闸室结构已验收通水，裂缝常见发生部位始终未有裂缝发生。本工程通过设计和施工两个环节的多重有效控制，在大跨度、大体积混凝土结构抗裂方面取得了较为理想的实施效果，获得了宝贵的抗裂实践经验。
［文章编号］1006-7619（2011）11-02-1003
［作者简介］ 高兴和（1968.2-），男，籍贯：江苏省苏州市人，学历：本科，职称：水利水电注册土木工程师、水工设计高级工程师，工作单位：江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司（苏州），主要从事水工设计工作。
【关键词】江边枢纽整体闸室大跨度；大体积混凝土；抗裂
Hydraulic design of mass concrete cracking—— Take matang River hub cracking chamber long-span structures experience summary
Gao Xing-he,Tao Lei,Chen Xing-kui
(Taihu Lake in Jiangsu Province Water Resources Planning and Design Institute Co., LtdSuzhouJiangsu215128)
【Abstract】The lock chamber design project using integrated long-span structures, it is a large volume of concrete, design and construction to take different measures to effectively control multiple, project implementation, the crack has not been common parts of the cracks occurred. Practice has proved that this works in large-span, crack of mass concrete structures has made a good implementation of the results.
【Key words】Riverside hub span the whole chamber;Mass concrete;Crack
1. 引言
经国家和省发改委审批实施的走马塘江边枢纽工程是走马塘在长江交汇口处设置的重要控制性建筑物。其中，船闸闸室采用钢筋混凝土整体大跨度结构，属大体积混凝土结构（见图1），设计和施工采取多重控制措施，有效地避免了结构有害裂缝的产生，在结构抗裂方面取得了较好的实施效果。
2. 工程概况
工程位于张家港市境内的七干河入江口处，由节制闸、船闸和鱼道三部分组成，是水利结合航运的通江控制性枢纽建筑物。其中，船闸按通行1000t标准货船设计，闸室总长240m，净宽23m。
闸室基础坐落在松散粉砂土地基上，厚度6~10m，中等透水，地基允许承载力85Kpa，为透水软弱地基，需结合结构设计进行相应的地基加固处理。下卧层为中密~密实的砂壤土，承载力较高。
3. 大体积混凝土的定义
3.1国内相关规范的定义。
JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》定义大体积混凝土为：混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，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。
GB50496-2009《大体积混凝土施工规范》的第2.1.1条定义为：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。
3.2国外相关规定。
美国混凝土学会规定：任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大的限度减少开裂。
日本建筑学会（JASSS）标准的定义是：结构断面最小尺寸在80cm以上，同时水化热引起的混凝土内最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土称之为大体积混凝土。
4. 大体积混凝土裂缝成因分析
国内外大量实践证明，各种大体积混凝土裂缝主要是温度变化引起的，是混凝土自身强度和抵抗变形的能力与温度应力和应变同步矛盾发展的结果。温度变化导致混凝土体积胀缩变形，当其内外部受到约束不能自由变形时，就会积聚应力，其中，大体积混凝土后期的温降或失水将导致混凝土收缩产生拉应力，当拉应力达到并超过混凝土自身抗拉强度时，就导致混凝土结构裂缝的发生。
大体积混凝土温度变化分为温升和温降两个阶段，温升阶段发生早而快，温降阶段相对迟而缓。大体积混凝土在浇筑和强度发展过程中，早期温度迅速上升，通常3~5d达到峰值，持续一段时间后开始缓慢降温。温度升降变化产生体积胀缩，其线胀缩值符合△L=Lo•a•△T的规律。
混凝土的特点是抗压强度高而抗拉强度低，而且，混凝土导热性较差，散热慢。在混凝土浇筑成型的早期，其内部的温度会很快升高，其中，水泥水化放热是混凝土内部温升的主要原因，而大体积混凝土结构物一般断面较厚，水泥释放的热量聚集在结构物内部不易散发。混凝土在早期快速升温阶段总体上处于热膨胀状态，由于早期混凝土的强度和弹性模量都很低，混凝土自身约束小，徐变大，温度升高产生内部超强拉应力的可能性较小，所以早期温升阶段的体积膨胀一般不会对混凝土产生有害影响，通常不会产生混凝土内部裂缝。但在后期的温降阶段，混凝土从热膨胀的最大变形开始降温收缩，随着混凝土龄期和强度的增长，弹性模量逐渐增高，对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大，加上外部约束（如地基或先期成型混凝土的固支约束）作用，降温收缩与失水干燥收缩叠加在一起时，大体积混凝土内部或外表面将产生超强的拉应力，当拉应力达到并超过混凝土自身抗拉强度时，就会导致混凝土结构裂缝的发生。起初的细微裂缝会引起应力集中，裂缝可逐渐加宽加长，甚至产生结构有害裂缝。
5. 大跨度闸室结构的大体积特征
本工程船闸闸室采用水泥搅拌桩复合地基上的倒“∏”型钢筋混凝土整体结构（见图1），混凝土強度等级为C25，结构设计主要尺度：闸室分节长度15m，共16节，闸室净宽23m，闸室底板总宽28m，闸室墙高10.3m，根据结构承载需要，底板断面设计为变截面结构，厚1.6~2.8m，地基约束条件为底板底面与粉砂土上的水泥搅拌桩复合地基直接接触；墩墙为固支于底板上的悬臂式变截面结构，根部厚1.6~2.6m。常规施工条件下，底板与墩墙一般需分先后浇筑施工，墩墙底部受先期成型的底板结构的约束。对照以上关于大体积混凝土的相关规定，由于结构跨度较大，设计需要结构厚度将超过1m，且闸室结构单体体积1385m3，结构体量较大，根据工程实践经验，结构内外温度变化和混凝土收缩，将导致闸室结构在底板顶面以及墩墙根部以上约三分之一的高度范围内可能产生有害裂缝，显然，本工程的大跨度整体闸室结构应归类于大体积混凝土结构，需按大体积混凝土的设计要求采取相应抗裂措施。
6. 抗裂设计措施
大跨度整体闸室结构如何避免有害结构裂缝的发生，是本工程闸室大体积混凝土结构设计实践成败的关键。大量的研究成果表明，大体积混凝土结构物中的温度裂缝是不可避免的，重要的是采用合理的措施来防治和控制裂缝的发展。
根据裂缝成因分析，大体积混凝土裂缝的主要影响因素涉及结构物的体型大小，约束条件、混凝土的各种组成材料的特性以及施工条件等诸多因素。结合整体闸室大体积混凝土结构特点，本文侧重于总结设计环节所采取的相应抗裂措施，尽量消除各种抗裂不利因素，确保该结构不出现有害裂缝。
图1大体积混凝土结构
6.1抗裂设计的结构措施。
结构设计时，通过对大跨度结构的设计优化，从地基约束、结构尺度、体量以及抗裂配筋等方面，尽量消除抗裂设计中各种对结构抗裂不利的因素，满足大体积混凝土抗裂设计要求。
6.1.1改善地基约束条件。
本工程为松散的粉砂土地基，中等透水，承载力仅85Kpa，为了满足弹性地基条件下的常规结构设计需要，一方面，通过降排水对砂性土地基进行预压密实，另一方面，采用水泥搅拌桩复合地基，复合土层压缩模量大大提高，地基承载能力和抵抗变形的能力随之提高，对结构受力较为有利，复合地基条件较天然地基有较大改善。
6.1.2合理选择结构块体尺度。
结构单体尺度越大，受地基约束的影响就越大，合理确定结构块体长度，可改善大体积混凝土来自地基的约束作用。本工程整体式闸室底板宽度方向尺度达28m，已用足规范规定的最大结构单体尺度，长度方向应考虑地基约束条件对大体积混凝土结构的不利影响，结构尺度宜小不宜大，根据通航尺度及相关设计需要，闸室总长240m，分节尺度取15m，共分为16节。
6.1.3大体积混凝土结构体量优化。
满足防渗、抗浮、承载等设计需要，在合理确定结构块体尺寸的基础上，还应尽量控制单体结构体量，根据结构设计需要，断面体量需大就大，宜小则小，工程设计过程中，依据不同工况条件下的计算成果，通过设计优化，节省混凝土工程量的同时，进一步精减冗余或不需要的结构体量。
满足弹性地基条件下的常规结构设计需要，大跨度闸室结构厚度应满足1/10~1/8跨度的要求，底板厚度应在2.8m~3.5m之间取值，如采用天然地基，虽然勉强满足要求，但由于地基条件较差，底板厚度取值宜大不宜小，由于结构厚度增大，地基应力较大，将导致闸室沉降变形增大，对大跨度、大体积混凝土结构受力较为不利。
设计通过简单的地基处理，不但改善地基约束条件，而且，边荷载作用影响明显减小，计算成果显示，大跨度底板结构跨中内力明显减小，底板厚度取下限值即可满足要求，经设计优化后，闸室底板的大体积混凝土厚度由3.3m减小为2.8m，底板厚度减小0.5m，底板结构单体体量缩减量超过15%。
另外，结合弹性地基上的整体闸室结构受力特点，底板和墩墙均按变截面结构进行设计优化。一方面，悬臂式墩墙自底部向上为自由端，结构内力随挡土高度减小而逐渐减小，结构断面可按缩减渐变处理，墩墙厚度自下而上由2.6m渐变缩减为0.6m；另一方面，整体闸室结构的底板两端与悬臂式墩墙固支，设计对悬臂式墩墙底部固支节点处增设1m×1.5m贴角予以加强后，将底板两端各1/3跨长度范围内的底面向上渐变翘起1.2m，不但保证了底板与墩墙固支节点处的刚度，而且，施工开挖深度减小，挡土和挡水高度减小，两侧悬臂结构承受的内力和固支节点向大跨度底板传递的内力均大大降低。通过变截面设计优化，进一步减小大体积混凝土的结构体量。
6.1.4配置抗裂钢筋。
混凝土抗压、钢筋抗拉是普通钢筋混凝土的主要工作机理，二者有机结合，使得钢筋混凝土结构具有较强的承载能力。其中，混凝土结构中的拉应力主要由钢筋承担，对于大体积混凝土结构，当考虑温度作用影响，在温度应力作用下不满足抗裂要求时，应配置温度钢筋限制裂缝擴展。
由各种设计工况条件下的结构受力特点可知，整体结构中底板沿跨度方向在跨中面层和跨端底层内力较大，悬臂式墩墙受土压力、水压力作用，临土侧竖向内力较大，因此，底板顺闸宽方向和墩墙临土侧竖向均需按承载力极限状态（底板为受弯构件、墩墙为偏心受压构件）计算配筋，并按正常使用极限状态验算裂缝开展宽度，以上部位一般计算配筋较大；而底板垂直闸宽方向和墩墙水平向内力较小，一般均为架立、构造性配筋，配筋量较小。
在施工过程中，大体积混凝土的温度作用一般发生在混凝土浇筑成型期和混凝土固化期，早期的温度作用主要表现为升温膨胀，对尚未固结成型、具有较强徐变能力的混凝土基本无害，而有害的温度作用往往出现在混凝土固化期，温度作用表现为降温收缩产生拉应力。根据常规施工加载程序，此时大体积混凝土中温度应力一般不可能与设计常规荷载遭遇或组合，根据计算复核成果显示，按结构受力条件配置的受力钢筋一般均能起到限制温度应力的作用，其钢筋配置基本可满足温度作用的配筋要求，不需要额外增加温度钢筋；但在构造配筋的部位，由于大体积混凝土中不可避免的温度作用，按构造要求配置的架立钢筋，一般较难满足温度作用下的配筋需要。
对照规范中大体积混凝土的温度作用下的抗裂设计要求，闸室大体积混凝土的抗裂配筋需作专门设计，SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》第11.2条“关于大体积混凝土在温度作用下的裂缝控制”规定，对大体积混凝土中的架立钢筋，除了需要满足结构构造要求外，还要满足大体积混凝土温度作用的要求。根据大体积混凝土抗裂计算需要确定配筋量，通过钢筋的超强抗拉作用，有效限制裂缝扩展。
本工程为弹性地基上的大体积混凝土结构，利用混凝土应力松弛系数进行徐变温度应力计算。将时间划分为n个时段，计算每一时段首末的温度Δ Ti、混凝土线热涨系数αc 及混凝土该时段的平均弹性模量 Ec（τi ），然后求得第i时段Δ τi 内弹性温度应力的增量Δ σi ，并利用松弛系数考虑混凝土的徐变。
计算时刻t时的徐变温度应力σ*（t）可按下式计算：
σ*（t）=∑ni=1Δ σiKr（t,τi）(1)
式中：t ——计算时刻的混凝土龄期。τi ——在第i时段中点的龄期。Kr（t,τi）——混凝土的应力松弛系数。
大体积混凝土结构在温度作用下的抗裂验算宜符合下列规定：
σ*（t）εt(t) Ec(t) (2)
εt(t) =［0.655arctan(0.84t)］εt(28) (3)
Ec（t）=1.44［1-exp(-0.41t0.32)］Ec（28）(4)
式中：εt(t) ——计算时刻t时的混凝土允许拉应变。Ec（t） ——计算时刻t时的混凝土弹性模量。εt(28) ——28d龄期混凝土的允许拉应变，C25混凝土为0.6×10-4。 Ec（28）——混凝土的弹性模量。
根据抗裂设计成果，闸室结构的抗裂钢筋配置情况如下。
（1）底板抗裂钢筋。正常架立配筋14@200，计算成果显示，温度钢筋比主筋小，但比普通架立钢筋大，本工程按18@200配置。
（2）墩墙抗裂钢筋。正常架立配筋14@200。由于温度作用早于其它荷载出现，设计将墩墙水平分布钢筋布置于外层；对厚度较大且受底板约束较大的下部约1/3高度范围内的墩墙水平分布钢筋，经抗裂验算，实际配筋为16@100。
（3）设置抗裂暗梁。在大体积混凝土内部出现较大拉应力、计算必须配置抗裂钢筋时采用。可在大体积混凝土的适当部位，设置一道或几道抗裂暗梁，配置抗裂钢筋，限制混凝土内部裂缝扩展。本工程架立筋加大并采取了有效的温控措施后，抗裂验算均满足要求，不需要再设置抗裂暗梁。
6.2抗裂设计的温控措施。
6.2.1温控原理。
大体积混凝土中，水泥水化热引起温升，在绝热状态下混凝土内部的温度可用SL191-2008规范的相关公式计算：
T=T0+Tt(5)
Tt=WQt(1-0.75p)/Cρ(6)
Qt=Q0［1-exp(-mtn)］(7)
式中：T——在绝热状态下不同龄期混凝土内部温度，℃。T0——浇筑温度，℃。Tt——在龄期t时绝热温升，℃。W——胶凝材料用量，Kg/m3。Qt——龄期t时的累积水化热，KJ/Kg。p——粉煤灰掺量百分数。C——混凝土比热，取0.96KJ(Kg•℃)。ρ——混凝土的密度，取2400Kg/m3。Q0——最终水化热，随水泥品种取值不同，KJ/Kg。m、n——常数；t——龄期，d。
实际上，由于混凝土浇捣时总是暴露在大气中，与大气存在热量交换，处于散热而非绝热状态中，混凝土由水泥水化热引起的温升远比绝热条件下最终水化热的温升要小。另外，混凝土内部最高温升还与浇筑块的厚度有关，块体越薄散热越快，最高升温越低；反之块体越厚散热越慢，则最高升温越高。因此，工程实践中引入一个与浇筑厚度有关的系数ξ，内部最高温度改用公式8计算：
T=T0+Ttξ(8)
根据相关研究成果显示，对于厚度超过1m的大体积混凝土内部绝对温升可达35~50℃，随结构厚度增大，内部绝对温升甚至更高。
由温差引起的变形和应力值可按公式9和公式10计算：
△L=L(t2-t1)α(9)
σt=Ec△L/L=Ec(t2-t1)α(10)
式中：△L——钢筋混凝土构件的变形值；L——构件的长度；t2-t1——温差，即温度变化值；α——温度膨胀系数；σt——混凝土温度应力。
混凝土降温时，热量从内向外传递扩散，表面散热快，温度低，从而形成内外温差，由上面理论公式计算出允许混凝土内外温差应是10℃左右。但由于结构构件不可能受到绝对约束，混凝土也不可能完全没有徐变和塑性变形，大量统计资料显示，多数工程混凝土的内外温差在10~25℃尚未开裂。因此，我国有关规范对这类大体积混凝土浇筑时规定内外温差宜控制在25℃之内，日本建筑学会(JASSS)直接将温差大于25℃的混凝土划归大体积混凝土。
另外，环境温度越低，产生内外温差也越大，引起混凝土开裂的机率增加，可采取表面覆盖等措施进行温差控制以防止混凝土表面散热过快。
根据以上理论分析，大体积混凝土施工中，考虑温度应力的影响，并设法减缓最高温升、降低混凝土内部的最高温度，减小其内外温差，是防止裂缝产生的最为直接和有效手段。
6.2.2温控措施。
温控措施因具有适用性和灵活性，以及能够控制整个结构物内部温度，在国内外得到广泛应用。
根据大体积混凝土温升原理，按温度作用的设计要求，结合工程实际情况和施工条件，闸室结构设计直接给出了有效可行的温控辅助措施，并明确提出混凝土内外温差控制小于20℃的设计要求。在混凝土内部预埋冷却水管，利用水管内流通的恒温冷水（4℃）带走大体积混凝土内部积聚的水化热，削减浇筑层水化热温升。
具体设计要求为：在每块混凝土浇筑之前，预先按设计要求布置并固定冷却水管，水管材料为铁管，支管管径1.5英寸，壁厚2mm，底板或墩墙上下均布置三层，水平及竖向间距均小于等于1m，每层支管设总管集中供排水，总管管径4英寸，结合本工程粉砂土地基以及地下水源较为充沛的特性，可直接引接降排水获得的地下水，作为恒温冷却水水源，用水泵和闸阀控制冷却水的循环或外排，混凝土中预埋适当数量的温度传感器，监控混凝土凝固过程中的内部温度，并根据检测数据调节通水量。通过通水冷却措施，降低混凝土结构内部温度，与外部保温、保湿措施共同作用，有效控制混凝土内外温差。通水结束后，水管内采用压力水泥浆充填封堵。
6.3抗裂设计的收缩补偿措施。
大体积混凝土所处降温阶段通常也是结构干燥失水的阶段，两种作用都将导致大体积混凝土收缩产生拉应力，互相叠加后破坏作用增强。鉴于此，如果设计采取适当的补偿混凝土收缩的措施，使得混凝土自身具有微膨胀、低收縮的特性，可大大改善混凝土自身抗裂性能。
6.3.1掺加高效复合型抗裂外加剂。
根据工程实践经验，结合设计调研，目前混凝土入仓浇筑施工技术基本为泵送，泵送混凝土坍落度较大，大体积混凝土产生水化热较高，混凝土自身胀缩变形较大，为了适度控制混凝土自身变形，设计采用适合于泵送的高效抗裂复合材料，掺量为胶凝材料的10％。该材料为多组份复合材料，主要成分为微膨胀剂和聚丙烯纤维，前者补偿混凝土的收缩，后者减小混凝土脆性，提高混凝土抗拉强度，加上保水组分及改性组分等多种材料的共同作用，从阶段抗裂、层次抗裂等多方面达到全程抗裂的目的。工程施工过程中，根据施工季节，掺用合适型号的高抗裂材料。
6.3.2掺加减水剂。
设计掺加高效缓凝型减水剂也是改善大体积混凝土自身抗裂性能的有效措施之一。可降低混凝土的单位用水量，从而降低水泥用量；缓凝型减水剂还有抑制水泥水化作用，可降低水化温升，还可延迟水化热释放速度，热峰也有所降低；同时，这种减水剂可以缓凝，在大体积混凝土中可以避免冷接缝，提高工作性及流动性，有利于泵送施工。
6.4抗裂设计的施工控制措施。
本工程设计环节尽管已经明确了多项抗裂措施要求，但大体积混凝土的抗裂是一个综合而复杂的课题，涉及各个环节的多种因素，其中，只要某个环节出现对抗裂不利的因素，就有可能导致裂缝发生，所以，仅从设计环节采取措施是不够的，工程施工时，必须按施工规范中大体积混凝土的相关要求实施，才能确保工程抗裂安全。根据相关规范要求，设计以施工图设计说明的形式，从原材料、配合比、施工温度控制以及大体积混凝土的养护等方面提出了相关施工技术要求。
6.4.1原材料及配合比控制。
水泥水化产生水化热是大体积混凝土发生温度变化而导致体积变化的主要根源。由于矿物成分及掺合料含量的不同，水泥的水化热差异较大。为了降低水泥的水化热、减小混凝土的体积变形，大体积混凝土需优先选用水化热较低的水泥，严格控制水灰比，降低混凝土绝热温升。
根据混凝土配合比设计原理可知，一方面骨料粒径越大，其表面积和空隙率越小，混凝土中水泥浆及水泥用量就越小，因此，应尽可能采用较大的骨料粒径。另一方面，还应千方百计地降低水泥用量，掺用混合材料。掺合料可以有效降低水化的峰值温度，推迟水化温峰的出现时间，随掺合料掺量的增大，温峰出现的时间延迟。本工程通过掺加优质（一级）粉煤灰，控制骨料粒径和级配，并添加适当的掺合料，优化混凝土配合比，从源头上控制混凝土的内部温升。
6.4.2施工温度控制及监测。
混凝土入模温度取决于各种原材料的初始温度，应严格控制混凝土入仓温度，必要时，混凝土入仓前可采取适当的降温措施。主要方法是施工时加冰冷却拌合水、骨料、水泥，尽量选择较低气温时段浇筑混凝土。
大体积混凝土的裂缝，特别是表面裂缝，主要是由于混凝土中产生了温度梯度。为了使大体积混凝土的内外温差降低，可采用混凝土表面保温的方法，使混凝土内外温差降低。常用的保温材料有模板、草袋、湿砂、锯末等，保温材料不仅要放置在混凝土的表面，还要注意结构物四周的保温。
对大体积混凝土内部各部位进行温度跟踪监测，可及时准确地掌握混凝土各个部位的温度变化，以便采取处理措施降低内部温度，保证工程质量。混凝土温升最快的阶段在浇筑后的1～5d，每1h读取数据一次，以后数据的读取时间可适当延长，最终，通过整理、归纳，形成系统的温控数据资料，本工程温控监测数据资料显示，按照设计温控措施加上施工辅助措施实施后，大体积混凝土内部最大温升得到有效控制，温控措施成功实施并十分有效。
6.4.3混凝土浇筑时段及养护。
注意合理安排混凝土浇筑施工时间，高温季节施工时，浇筑时间尽量安排在16时至翌日10时前进行，以减少混凝土温度回升。冬季施工时，应避免在夜间低温时段浇筑，同时应进行保温养护，在混凝土表面覆盖塑料薄膜，再用草帘覆盖保温，减小混凝土内外温差。混凝土浇筑后，安排专人及时洒水养护，并适当延迟侧向模板的拆模时间，以保持混凝土表面温度和湿度，避免气温陡降和快速失水引起混凝土表面的收缩裂缝。
7. 结语
本工程的大跨度整体闸室结构属大体积混凝土结构，设计通过改善地基约束条件、优化结构体量并采取布管通水冷却、掺抗裂外加剂以及配置温度钢筋等多个设计措施加以控制，结合施工环节的自拌混凝土原材料及配合比控制、温度控制及监测、浇筑及养护等方面的控制措施，有效降低大体积混凝土内部温升，控制内外温差在设计范围内。目前，闸室结构已验收通水，裂缝常见发生部位始终未有裂缝发生。本工程通过设计和施工两个环节的多重有效控制，在大跨度、大体积混凝土结构抗裂方面取得了较为理想的实施效果，获得了宝贵的抗裂实践经验。
［文章编号］1006-7619（2011）11-02-1003
［作者简介］ 高兴和（1968.2-），男，籍贯：江苏省苏州市人，学历：本科，职称：水利水电注册土木工程师、水工设计高级工程师，工作单位：江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司（苏州），主要从事水工设计工作。