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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，但是会增大混凝土溫升和温降幅度，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峰值，停水后会出现小幅回升，之后缓慢下降，无论是否采取表面保温措施，降速均超过1℃/d。因此，从降温速率的角度讲，也无需在后期继续通水进行冷却（这样只会加大降温速率）；从应力计算结果看，通水2.5天情况下，混凝土在降温收缩过程中的应力都不大。
对于闸墩靠上部位的混凝土，停水时混凝土温度正处于或还未到峰值，停水后温度继续上升，最高温度会超过停水时的温度，起不到很好的削峰作用，这样会使得停水后闸墩内部温度继续升高，内外温差加大，从而产生较大的表面拉应力。问题的症结在于闸墩上下采用一根水管，为满足闸墩下部缩短通水时间、减小降温速率和幅度的要求，上部也一起停水，从而达不到上部预期的降温效果。为此，建议布置两根水管，在1.50m高程以下用一根，以上用一根，各自独立通水冷却。
（3）提高冷却水温可减小水管管壁处的温差，降低温升阶段混凝土从管壁处开裂的可能性，但同时削峰作用减弱，为此，可增大通水流量。从工况3和工况5的计算结果来看，水温从18℃提高至22℃，流量从3.62m3/h增大至8.00m3/h，闸墩内部典型点最高温度升高不到1℃，但应力状况得到改善。
4结语
（1）混凝土结构早期的内外温差、后期的基础温差是裂缝产生的主要原因，而表面适度保温和内部冷却水管降温是防止这类裂缝产生的有效措施，值得应用推广。
（2）不同的温控措施具有不同的温控防裂效果，同时也有不足之处，甚至是相互矛盾、相互制约的，施工前应做多参数多工况的仿真计算分析，确定合理的保温措施和通水方式，优选防裂方案。
（3）墩墙混凝土结构相对大坝来说结构型式单薄、底板约束作用明显，容易产生贯穿性裂缝，尤其是门槽处，应给予足够的重视。
参考文献：
[1] 丁宝瑛,王国秉,黄淑萍等. 国内混凝土坝裂缝成因综述与防止措施[J]. 水利水电技术,1994, (4):12-18.
[2] 张子明,郭兴文,杜荣强. 水化热引起的大体积混凝土墙应力与开裂分析[J]. 河海大学学报,2002, 30(5): 12-16.
[3] 朱岳明,刘勇军. 确定温度特性多参数的立方体试验及反演分析[J]. 岩土工程学报,2002, 24(2): 175-177.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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，但是会增大混凝土溫升和温降幅度，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峰值，停水后会出现小幅回升，之后缓慢下降，无论是否采取表面保温措施，降速均超过1℃/d。因此，从降温速率的角度讲，也无需在后期继续通水进行冷却（这样只会加大降温速率）；从应力计算结果看，通水2.5天情况下，混凝土在降温收缩过程中的应力都不大。
对于闸墩靠上部位的混凝土，停水时混凝土温度正处于或还未到峰值，停水后温度继续上升，最高温度会超过停水时的温度，起不到很好的削峰作用，这样会使得停水后闸墩内部温度继续升高，内外温差加大，从而产生较大的表面拉应力。问题的症结在于闸墩上下采用一根水管，为满足闸墩下部缩短通水时间、减小降温速率和幅度的要求，上部也一起停水，从而达不到上部预期的降温效果。为此，建议布置两根水管，在1.50m高程以下用一根，以上用一根，各自独立通水冷却。
（3）提高冷却水温可减小水管管壁处的温差，降低温升阶段混凝土从管壁处开裂的可能性，但同时削峰作用减弱，为此，可增大通水流量。从工况3和工况5的计算结果来看，水温从18℃提高至22℃，流量从3.62m3/h增大至8.00m3/h，闸墩内部典型点最高温度升高不到1℃，但应力状况得到改善。
4结语
（1）混凝土结构早期的内外温差、后期的基础温差是裂缝产生的主要原因，而表面适度保温和内部冷却水管降温是防止这类裂缝产生的有效措施，值得应用推广。
（2）不同的温控措施具有不同的温控防裂效果，同时也有不足之处，甚至是相互矛盾、相互制约的，施工前应做多参数多工况的仿真计算分析，确定合理的保温措施和通水方式，优选防裂方案。
（3）墩墙混凝土结构相对大坝来说结构型式单薄、底板约束作用明显，容易产生贯穿性裂缝，尤其是门槽处，应给予足够的重视。
参考文献：
[1] 丁宝瑛,王国秉,黄淑萍等. 国内混凝土坝裂缝成因综述与防止措施[J]. 水利水电技术,1994, (4):12-18.
[2] 张子明,郭兴文,杜荣强. 水化热引起的大体积混凝土墙应力与开裂分析[J]. 河海大学学报,2002, 30(5): 12-16.
[3] 朱岳明,刘勇军. 确定温度特性多参数的立方体试验及反演分析[J]. 岩土工程学报,2002, 24(2): 175-177.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。