首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 水利水电工程论文 > 跨缝钢筋对大型水工隧洞衬砌温控防裂的影响

跨缝钢筋对大型水工隧洞衬砌温控防裂的影响

2024-11-10 68 上传者：管理员

摘要：隧洞衬砌结构，厚度薄，轴向尺寸长，受围岩约束，是典型的薄壁强约束结构。衬砌施工缝处钢筋不切断，跨缝钢筋的作用增强了衬砌约束，增加了衬砌混凝土的温度裂缝控制的难度。结合滇中引水工程隧洞衬砌施工，采用大体积混凝土结构温控仿真分析软件，研究施工缝端跨缝钢筋不同自由长度下，混凝土衬砌的温度应力场和开裂风险。研究表明，随着跨缝钢筋自由长度的减小，衬砌受跨缝钢筋约束逐渐增强，衬砌内部最大第一主应力普遍增加；跨缝钢筋主要是影响衬砌顺水流向的正应力，对最大主应力方向接近顺水流向的仰拱边侧部位混凝土衬砌的最大第一主应力影响最大，变幅达1.24MPa;衬砌顺水流向正应力大幅增加，衬砌在底板处易产生垂直水流向裂缝；跨缝钢筋自由长度越小，衬砌最小抗裂安全度越小，开裂风险越大。研究成果为滇中引水隧洞工程衬砌施工缝处跨缝钢筋处理提供了参考意见。

关键词：
数值模拟
温度应力
自由长度
跨缝钢筋
隧洞衬砌
加入收藏

大型水工隧洞具有洞室尺寸大，跨度长，施工环境复杂等特点。隧洞衬砌厚度方向薄，受围岩约束作用强[1],且采用的泵送混凝土水化温升高，导致温度应力较大，易发生温度裂缝。输水隧洞开裂后的修补费用高，且修补时隧洞停工影响大，因此在施工时就要做好隧洞衬砌的防裂工作。隧洞衬砌由于施工浇筑能力和温度收缩因素的影响、以及适应后期衬砌变形的需要等原因，衬砌需沿长度方向分缝分段[2]。为保证水工隧洞的安全运行和结构稳定，衬砌混凝土采用钢筋混凝土，充分发挥钢筋材料的抗拉性能和混凝土的抗压性能[3]。根据钢筋在衬砌分缝处是否切断，衬砌分缝类型大致可划分为施工缝和结构缝。施工缝段的衬砌，受两端钢筋约束，进一步增加了隧洞衬砌所受的约束作用，因此，有必要研究衬砌分段处钢筋对混凝土衬砌温控防裂的影响。

目前，对于水工隧洞衬砌温度防裂的研究较多，学者们研究了结构设计[4]、分缝长度[5- 6]、围岩类型[7]、浇筑温度[8]、通水冷却[9]等因素，对隧洞衬砌温度应力的影响，但是跨缝钢筋对衬砌混凝土温度应力影响研究较少。苏芳等[10]研究了江坪河水电站防空洞有无过缝钢筋约束工况下温度应力的变化情况，过缝钢筋的设置虽对衬砌混凝土单侧早期拉应力有明显的抑制作用，但过缝钢筋侧后期拉应力显著增加，易出现后期裂缝且不易控制。段亚辉等[11]对三峡永久船闸输水洞进行施工期钢筋应力现场试验，认识到受力钢筋可限制裂缝扩展但不能防裂，裂缝要达到相当的宽度后钢筋才能限裂。初步分析，温度应力受结构约束的影响，而跨缝钢筋增大了混凝土的约束，反映在跨缝钢筋自由长度上，应对自由长度进行定量的研究。另外，施工缝处端部钢筋与混凝土受力易产生滑移，增加了缝面钢筋的自由长度，因此需要研究不同自由长度的影响。

滇中引水工程中输水工程总干渠长664.24km,其中输水隧洞占总干渠的92.1%。在某工程段采用马蹄形断面隧洞，其净面尺寸8.96m×8.96m,衬砌厚度0.5～0.8m,衬砌分段长度12m。本文依托滇中引水工程，采用长江科学院自主研发的混凝土结构温控仿真分析软件Ckysts[12- 13],考虑了衬砌与围岩之间的接触，仅研究衬砌浇筑施工过程中温度变化导致的温度应力，分析了跨缝钢筋自由长度对衬砌温度应力的影响，为大型水工隧洞混凝土衬砌的跨缝钢筋设计和施工操作提供参考。

1、仿真模型与条件

1.1 仿真模型

考虑衬砌结构的对称性，取结构的一半进行建模。模拟范围包括衬砌及衬砌尺寸相应方向上3倍尺寸的围岩，在衬砌与围岩之间设置薄层接触单元。模型的单元总数91008个，节点总数99400个，如图1所示。衬砌内部钢筋单元，如图1(c)所示，衬砌内外侧共6336个钢筋单元；施工缝处钢筋自由长度通过衬砌外的杆单元考虑，共264个杆单元。直角坐标系：x轴——垂直水流方向，y轴——顺水流方向，z轴——高度方向。

图1隧洞衬砌计算模型

1.2 材料热学和力学参数

本工程隧洞段围岩的弹模参数16GPa,泊松比0.2,导热系数9kJ/(m·h·℃),比热0.96kJ/(kg·℃),线膨胀系数7.0×10-36/℃,导温系数3.47×10-3m2/h。跨缝钢筋的弹性模量210GPa。

仿真模拟中所用的隧洞衬砌混凝土导热系数7.6kJ/(m·h·℃),比热0.85kJ/(kg·℃),线膨胀系数7.6×10-36/℃,导温系数3.01×10-3m2/h。混凝土自生体积变形如图2所示。混凝土弹性模量采用双指数公式：

E(t)=29×(1.0-e0.75t0.72) (1)

式中，E(t)—龄期为t时混凝土的弹性模量，GPa;t—龄期，d。

衬砌混凝土抗拉强度采用双指数公式：

f(t)=2.8×(1.0-e0.36t0.85) (2)

式中，f(t)—龄期为t时混凝土的虚拟强度，MPa;t—龄期，d。

衬砌混凝土绝热温升采用双曲线公式：

θ(t)=60.99t/(1.26+t) (3)

式中，θ(t)—龄期为t时混凝土绝热温升，℃;t—龄期，d。

图2衬砌混凝土自生体积变形试验结果

1.3 特征点选取

在顺水流向中心截面(y=0m)上选取特征点：衬砌仰拱中间内部和表面点，仰拱边侧内部和表面点，边墙和顶拱内部和表面点。

1.4 施工进度

根据施工单位施工进度安排，该隧洞标准洞段施工采用先底板后边顶拱方式施工，底板与边顶拱分缝。底板与边顶拱浇筑间隔时间30天。

1.5 初始及边界条件

围岩四周和衬砌顺水流向的对称面为绝热边界，从浇筑日期向前推算1年开始围岩温度场计算，获取浇筑日围岩温度。施工现场早期混凝土散热面热交换系数取为16.7kJ/(m2·h·℃)。隧洞洞内年均气温23℃左右，环境温度变幅5℃。

衬砌顺水流向的对称面法向约束，端面自由，围岩四周法向约束，施工缝处(y=6m)钢筋外侧固定约束。

1.6 计算工况

仿真分析中以12m长衬砌段，20℃浇筑温度，低温季节浇筑，缝面无跨缝钢筋(自由长度无限长)为基本工况，研究钢筋自由长度对衬砌混凝土温度应力特性的影响。施工缝宽2cm,本文设置了8种施工缝钢筋自由长度工况，见表1。

1.7 混凝土抗裂安全度

隧洞衬砌的温度应力作用下抗裂安全度定义为：

式中，k(t)—龄期t时混凝土抗裂安全度；f(t)—龄期t时混凝土强度，MPa;σ1(t)—龄期t时的混凝土第一主应力，MPa。

表1计算工况

2、结果分析

2.1 温度应力场

跨缝钢筋影响衬砌的最大应力和最小抗裂安全度，对衬砌温度场没有影响。衬砌顺水流向中截面各特征点的最大第一主应力、最大x/y/z方向正应力随钢筋自由长度的变化情况如图3所示。可见，跨缝钢筋自由长度无限长时，即缝处跨缝钢筋剪断、自由，衬砌仰拱底板内部和表面第一主应力接近x向正应力，衬砌仰拱底板的第一主应力方向接近x向；仰拱边侧内部和表面第一主应力接近y向正应力，仰拱边侧第一主应力方向接近y向；边墙内部和表面第一主应力接近z向正应力，边墙第一主应力方向接近z向；顶拱内部和表面第一主应力接近x向正应力，边墙第一主应力方向接近x向。第一主应力方面：跨缝钢筋的自由长度无限长和自由长度0.01cm时，混凝土浇筑一年内，衬砌第一主应力包络图如图4所示。相对施工缝处跨缝钢筋自由，跨缝钢筋的自由长度0.01cm时，衬砌内部最大第一主应力普遍增加，其中靠近跨缝钢筋处应力剧增，大于3MPa。由图3所示，自由长度从无限长逐渐减小到0.01cm时，衬砌受跨缝钢筋约束逐渐增强，衬砌中截面最大第一主应力增加；衬砌仰拱边侧的最大第一主应力变幅最大，变幅达1.24MPa。

图3衬砌顺水流向中截面各特征点的最大第一主应力、最大x/y/z方向正应力随自由长度的变化

图4衬砌第一主应力σ1包络图(单位：MPa)

顺水流向正应力方面：混凝土浇筑一年内，衬砌自由长度无限长和0.01cm时顺水流向正应力包络图如图5所示。相对施工缝处跨缝钢筋自由，跨缝钢筋的自由长度0.01cm时，衬砌内部最大顺水流向正应力增加，其中靠近跨缝钢筋衬砌端部处，由于钢筋约束，最大顺水流向应力剧增，大于3MPa。自由长度0.01cm时，衬砌中截面大部分区域的最大顺水流向正应力大于2.25MPa,且衬砌底板处最大顺水流向正应力大于2.63MPa,大于允许拉应力，衬砌在底板处易产生垂直水流向裂缝。由图3所示，自由长度从无限长逐渐减小到0.01cm时，衬砌受跨缝钢筋约束逐渐增强，衬砌中截面最大顺水流向应力增加，最大增幅在顶拱内部，变幅达2.16MPa,其次是边墙部位最大变幅达1.69MPa。

图5衬砌顺水流向正应力包络图(单位：MPa)

图6给出了衬砌边墙内部第一主应力和x/y/z方向正应力历程，其中，f是当前龄期时混凝土的抗拉强度，fs是当前龄期时混凝土的允许抗拉应力(fs=f/1.88)。跨缝钢筋自由长度变化时，边墙内部的第一主应力历程的变化规律不变。随着自由长度的减小，边墙内部的最大第一主应力增大，其中跨缝钢筋从无限长到4.00cm自由长度时，最大第一主应力变幅最大，0.30MPa;边墙内部的x/y/z方向正应力不断增大，其中y方向正应力变幅最大，z方向正应力变幅次之，x方向正应力变幅最小。边墙内部顺流向正应力历程(图6(c))可见，跨缝钢筋端从自由变为弱约束(自由长度4.00cm)时，钢筋顺流向正应力剧增，变幅为1.37MPa。

2.2 开裂风险

图7给出了跨缝钢筋端部自由和自由长度0.01cm时，混凝土浇筑一年内，衬砌最小抗裂安全度分布图。跨缝钢筋自由长度越小，衬砌的最小抗裂安全度越小，衬砌越易开裂；跨缝钢筋处衬砌最小抗裂安全度大幅减小，受局部跨缝钢筋约束影响，端部衬砌易开裂；跨缝钢筋自由长度0.01cm时，衬砌底板大部分区域最小抗裂安全度小于1,衬砌仰拱底板整体更易开裂，开裂风险极高。

图6衬砌边墙内部特征点应力历程

衬砌最小抗裂安全度随跨缝钢筋自由长度变化情况如图8所示。衬砌表面最小抗裂安全度变幅大于衬砌内部的最小抗裂安全度变幅。其中仰拱边侧表面最小抗裂安全度变幅最大，减小1.23,边墙内部的最小抗裂安全度减小0.51。衬砌仰拱底部最小抗裂安全度变幅最小，小于0.04。

图7衬砌最小抗裂安全度分布图

图8衬砌最小抗裂安全度随自由长度的变化

3、结论

(1)随着跨缝钢筋自由长度的减小，衬砌受跨缝钢筋约束逐渐增强，衬砌内部最大第一主应力普遍增加。跨缝钢筋主要是影响衬砌顺水流向的正应力，因此，对最大主应力方向接近顺水流向的仰拱边侧部位混凝土衬砌的最大第一主应力影响最大。

(2)受跨缝钢筋约束影响，靠近跨缝钢筋处最大第一主应力剧增，大于3MPa,施工缝处端部衬砌易开裂。

(3)跨缝钢筋自由长度0.01cm时，顺水流向中截面衬砌底板处最大顺水流向正应力大于2.63MPa,衬砌在底板处易产生垂直水流向裂缝。衬砌顺水流向正应力最大增幅在顶拱内部部位。

(4)跨缝钢筋自由长度越小，衬砌最小抗裂安全度越小，开裂风险越大，且衬砌表面最小抗裂安全度变幅大于衬砌内部的变幅。

隧洞衬砌两端尽量避免钢筋跨缝，若钢筋一定要跨缝布置，必须留下足够的自由长度，避免增加衬砌的温度应力，导致衬砌环向开裂。本文研究为滇中引水工程隧洞衬砌跨缝钢筋施工提供指导。钢筋自由长度具体选取还根据现场实际情况，辅助非线性计算，进行更深入地分析。

参考文献:

[1]樊启祥,郑斌,许传稳.水工衬砌混凝土施工期温度裂缝综合控制技术[J].水利建设与管理,2019,39(6):32- 36,41.