航道护坡拱圈施工温度约束应力分析

夏微 曹洋 江苏中泰建发集团有限公司

在航道护岸结构中，为保持护坡长期稳定，其中的泥土不易被雨水轻易冲刷流走，常使用混凝土连拱护坡，且在连拱内侧的回填土上种植观赏植物，在其外侧现浇混凝土，而拱圈为预制构件。基于上述情况，在拱圈内侧有护坡回填土压力载荷，在其外侧也有现浇混凝土的受力载荷。在实际施工中，预制拱圈最大的病害就是开裂，开裂有宏观开裂和微观开裂，而微观裂缝是指混凝土内部各向异性的非均质复合材料，导致混凝土终凝时水泥石收缩大，但是骨料收缩小产生的黏着裂缝。为保证拱圈的抗裂性，就需要分析其结构刚度及其约束条件。由于混凝土浇筑后在水泥的水化热作用下，浇筑体在模板的约束下其内部温度急剧上升，此时混凝土的弹性模量比较小，徐变比较大，温度升高引起的压应力并不大，但是随着后期混凝土温度逐渐降低，弹性模量增大，混凝土徐变变小，在基础约束作用下混凝土内部收缩产生相当大的拉应力，有产生裂缝的趋势。因此，在工程施工中，应高度重视混凝土施工温度约束应力的影响。

1.护坡拱圈施工温度场

混凝土施工从流体状态到终凝状态，包括后期养护，直到合格构件，与许多约束条件有关，其中温度场的影响是很重要的因素。施工温度场是指施工温度与时间和空间的函数，温度场有瞬态和稳态之分，而温度在随着时间变化才会产生温度应力及其由此产生的裂缝趋势。由于混凝土浇筑开始时呈流体状态，存在约束应力很小可忽略不计，如不添加防冻剂等材料，则混凝土在浇筑10小时后会达到终凝状态。在水泥的水化热作用下，混凝土从流体状态到终凝状态，其内部温度变化而产生的应力，可用以下方程表示。

式（1）中，t时刻Tβ∆ 为混凝土温度变化产生的应力，构筑体会产生一定收缩率，β与外加剂有关，T∆ 为任意时刻混凝土施工温度与计算初始时刻对应的流体状混凝土温度的差值；t时刻1ε为构筑物对混凝土因约束作用产生的约束综合应变；t时刻2ε为实际测量值。

相比于其他构件，预制拱圈厚度尺寸较小，所以混凝土的模板内外温差可以忽略。由于施工环境温度变化的影响，会引起混凝土收缩率的变化，所以在计算中可以用收缩率当量表示施工温度场的作用情况。在考虑施工温度约束条件下，混凝土在任意时刻的方程式如下式所示。

式（2）中，ϕy(t)为t时刻，混凝土的收缩值；为标准工况下混凝土的极限收缩值，一般取值3.24×10-4；b为经验 系数，一般取值0.01；M1M2⋅⋅⋅Mn表示在非标准工况下的施工环境因子修正系数。

根据公式（2），考虑温度场与收缩率的相关性，则混凝土的收缩当量温差之间的关系如下式所示。

式（3）中，α为混凝土的线膨胀系数，一般取值10-5/℃。

2.护坡拱圈施工设计

本项目部秦淮河航道护坡拱圈使用的混凝土等级为C25，设计强度达到25 MPa，塌落度140±20 mm，外加剂型号为SBTJM-10且参量为1.2%，混凝土水胶比为0.61，拱圈施工效果如图1所示，外侧为现浇混凝土，其伸缩缝为每11.6 m设置一道，伸缩缝材料为聚乙烯板，拱圈内侧回填种植土用来绿化。为便于研究，本文选取典型拱圈圆弧段设计截取如图2所示，为混凝土C25预制块，施工中采用钢模预制，达到一定养护期进行拆模，按照施工设计要求7d强度达到25.8 MPa，28d强度要达到38.7，抗冻抗渗等级大于等于8。

图1 拱圈施工效果

图2 拱圈圆弧段几何模型

3.拱圈有限元分析模型

航道护岸混凝土拱圈在施工中，由于钢模比木模散热快，混凝土内部温度变形能量释放与边缘部分相比，存在散热不均衡现象，形成施工温度场对拱圈预制块有开裂风险和刚度降低影响。本文采用ABAQUS有限元分析软件，研究的拱圈有限元网格模型如图3所示，该图模型下底面支撑于回填压实土上，其左右侧面连接拱圈相应部分，其余面悬空，未配钢筋。

图3 有限元网格模型

4.拱圈施工温度应力分析

在运用有限元计算中，对拱圈混凝土施工模拟降温过程，随着拱圈高度的增加，拱圈钢模和夯实土层面对混凝土的约束条件下散热缓慢变化，当混凝土拱圈由于降温作用而产生变形，并且由于钢模和夯实土层的约束作用，而不会让混凝土自由变化时，则会在拱圈内产生温度应力，进一步的当其温度应力大于混凝土的龄期抗拉强度的情况下，拱圈就会产生微观裂纹进而导致明显开裂风险。

在运用ABAQUS有限元分析中，选用与拱圈混凝土材料为Concrete Damaged Plasticity，设置边界最大应力为7d龄期混凝土抗压强度为1.44 MPa。在温度场影响下的有限元计算后的应力云图，如图4所示，其中图4a为拱圈模块的总应力图、图4b为拱圈模块的第一主应力云图、图4c为拱圈模块的第三主应力云图。从图4a中可以看出，随着温度降低过程，在靠近夯实土层面的混凝土应力大于顶部，且由于在夯实土层的约束下，达到抗拉强度。当随着拱圈混凝土浇筑不断增高时，从图4c中可以看到，拱圈混凝土受到模板约束的刚度不断增大，而且拱圈中的温度应力整体升高。从图4b中可看出，拱圈的顶部和底部的角应力分布规律与图a比较，已发生明显变化，即角应力区域有增大的趋势，达到龄期混凝土抗拉强度的区域在增多。这也印证了在大量工程实例中，如文献所表述出现的板角温度裂缝多为 45°贯穿斜裂缝，以及沿板边出现且平行于长边的裂缝。

图4 温度场影响下的应力云图

为了进一步分析模型在拱圈高度改变的条件下，文中所选择的拱圈高度参数来源于秦淮河航道施工图要求，研究钢模预制拱圈的温度应力伴随拱圈设计高度的分布规律，以期在今后的施工工艺中加以改进。结合图4b拱圈模型的第一主应力云图，对于模型角第一主应力进行增长记录得到图5所示，为拱圈模型角顶和角底应力达到龄期素性混凝土抗拉强度。这在实际施工中，如不采取防范措施，很容易出现贯穿性裂缝风险。从图6中可以看出，在施工温度场影响下，第一主应力随着模型圆弧长的增加，有减少的趋势，但是在接近终端时，应力有增大的变化，与最小值比较增加了7%，但是总体上应力变化呈现“浴盆曲线”状态。

图5 模型顶面应力曲线

图6 模型底面应力曲线

5.温度场应力分析数据在施工中的应用

由于施工时除了温度场作用以外，还有渗流场、构件本身收缩引起的结构场等多场耦合作用，但是在模板约束下的混凝土温度场引起的裂缝，对于拱圈混凝土预制构件来说，其影响是最大的。该模型有限元分析数据，在秦淮河航道治理护坡分项工程中，得到充分运用，减少了拱圈龄期裂缝，从而提高了拱圈合格率。此外，该研究成果数据，除了在浇筑拱圈构件得到应用，还应用到护坡格埂浇筑，格埂是用来定位护坡高程、护坡角度，格埂又分为素砼格埂和钢筋砼格埂，其浇筑施工工艺控制与拱圈浇筑相同，所以本文施工温度场对拱圈混凝土约束应力规律对格埂施工具有借鉴作用。

对于航道护坡的纵向格埂浇筑施工来说，相当于超长混凝土结构中进行分块浇筑，通常会有先浇筑块体和后浇筑块体之分。先浇筑的纵向格埂混凝土块体只受到底部一个接触面的约束，且底部为回填土分层夯实，所以混凝土自由变形释放能量最大，用该文有限元施工温度场分析数据作为支撑，但是随后浇筑的纵向格埂后浇块块体受到除了底部接触面的约束外，还应考虑先浇块体混凝土侧面的约束影响。吴伟[5]结合理论分析与试验数据曲线分析，得到后浇块的峰值位置位于相邻界面与块体中心位置之间，但是当间歇时间很短，后浇块峰值位置位于相邻界面；此外，当施工间歇时间较长，后浇块收缩应力峰值位于块体中心。因此，限于本文所研究的对象的选择，以期未来将加强航道护坡混凝土构件的有限元分析如格埂、踏步坡道、堤顶U型槽等与实验室数据分析对比研究。

6.结论

航道整治施工公里数长，其中护岸结构施工是一项非常重要的分项工程。为强化构件施工质量，对于护岸中的拱圈施工，本文采用有限元分析方法获得了拱圈混凝土成形温度应力对拱圈高度的影响数据，以供本项目部后期拱圈施工时运用。本文通过对护岸拱圈混凝土成形温度应力的研究，得到如下结论。

（1）随着拱圈高度的增加，成形混凝土温度第一主应力也随之增长。

（2）成形混凝土温度第一主应力随着成形增加长度值，第一主应力有降低的趋势，但临近成形长度施工终端时，有升高的发展方向。

（3）由于拱圈模型底部存在回填土夯实层的约束，成形混凝土温度第一主应力有增大的发展趋势。

综上所述，通过对拱圈混凝土成形的温度应力分析，在后期对拱圈施工中既要采用预防明显裂缝工艺措施，更要采取防止构件内部的微观裂纹而科学施工。