船闸防裂研究总结

1、船闸钢筋混凝土闸室墙防裂技术研究工作总结1、项目来源根据江苏省交通厅编制的江苏省交通建设工程质量通病与防治，大面积闸室墙的墙面收缩裂缝和分层浇筑裂缝为质量通病。1999年9月，江苏省交通厅组织成立“江苏省交通工程质量通病与防治”课题组，在交通部等有关部门的指导下，先后赴湖北、辽宁、广东、浙江、广西、湖南等省调研收集资料，学习经验，发现船闸工程基本上存在上述质量问题。淮阴水利建设集团有限公司承建的淮阴三线船闸土建工程，为了保证“确保部优、争创国优”质量目标的实现，公司将防治闸室墙钢筋砼裂缝质量通病确定为研究课题。2、研究的目的在水利水运工程中，大体积混凝土和混凝土墙体结构的裂缝普遍存在，特别是国

2、内兴建的船闸，不产生裂缝者极为少见。船闸裂缝的存在，影响到工程的运行效果，降低了结构的安全性和耐久性。在近半个世纪中，广大工程技术人员和科技工作者致力于混凝土防裂和抗裂技术研究，取得了一定成果。但在船闸工程中,虽然已从设计和施工方面采取了不少防裂措施，但收效甚微，多数船闸的闸首和闸室墙均产生了不同程度的裂缝，除表面裂缝外，还有相当数量的贯穿裂缝。江苏省的水运事业十分发达，将有多个船闸陆续兴建，交通厅的有关领导对船闸结构的防裂限裂十分重视，希望建成一批优良工程。为此，深入探讨防裂和限裂的新途径，可为新建船闸提供宝贵的防裂经验，既保正了船闸安全、可靠运行，亦可产生无可估量的经济效益和社会效益。为此

3、，我们在淮阴三线船闸工程建设中，继续致力于钢筋混凝土闸室墙的防裂技术研究。3、钢筋混凝土闸室墙裂缝成因分析 无论是理论分析还是实测结果均表明，钢筋混凝土闸室墙裂缝是由于混凝土的温度应力和收缩应力超过其强度所致。当闸室墙的温度变形受到约束时将产生温度应力，当闸室墙的收缩变形受到约束时将产生收缩应力。结构变形因受到的约束不同又分为内部约束和外部约束。结构本身各部分之间的相互约束为内部约束，内部约束产生的应力为自生应力，如在混凝土浇筑初期，闸室墙表面降温时，内部还在升温，表面温度收缩变形受到内部约束而产生的应力即为自生应力。结构因与外部接触而受到外部结构的约束为外部约束，外部约束产生的应力为约束应力

4、，如闸室墙在水化热温降时会受到牛腿和底板的约束而产生的应力即为约束应力。当闸室墙某部分的自生应力和约束应力迭加后超过了混凝土的抗拉强度时，混凝土即产生裂缝。 混凝土浇筑之后，水泥在固结过程中会产生大量水化热，混凝土随之升温。由於热传导和外界温度的影响，混凝土的温升和温降都是不均匀的，由於温降和温度的不均匀变化即引起温度应力。混凝土的收缩变形包括自生体积变形和干湿变形，这种变形同样因不均匀变化而引起收缩应力。由上所述，防止混凝土产生裂缝应从降低温度应力和收缩应力着手，而控制混凝土的温度和收缩量又是降低温度应力和收缩应力的关键，这也是防止闸室墙产生裂缝的关键。4、研究方法与途径大体积混凝土的防裂问

5、题是无数工程技术人员长期研究的难题，至今尚未园满解决，指望在短时期内普遍解决船闸闸室墙的防裂也不现实。我们立足于淮阴三线船闸，力争结合淮阴船闸的实际情况，避免三线船闸闸室墙产生裂缝。具体的方法途径是：(1) 根据现场的原材料和满足设计要求的配合比计算闸室墙在最不利时期(8月份)浇筑时的温度、温度应力和收缩应力。(2) 在墙体表面采取保温、保湿措施，减少闸室墙的约束温差和收缩，分析和计算保温、保湿效果。(3) 在保温、保湿措施的基础上，降低混凝土的入仓温度，再选择在低温季节浇筑混凝土，分析计算采取综合防裂措施后的效果。(4) 在计算结果满足防裂要求的基础上，研究制订防裂措施，确保防裂要求得以满足

6、。(5) 精心组织施工，保证防裂措施的实施，并注意提高闸室墙的施工质量。5、闸室墙的温度与应力计算5.1 计算条件与参数 除选择恰当的计算方法外，温度和应力结果与水化热温升、浇筑温度、外界气温、表面保护等多种因素有关。因此，计算结果的准确性有赖于基本条件和有关参数的正确选取。计算条件与参数随计算工况不同而改变。5.2 温度计算方法由於闸室墙的长度远大於断面的平面尺寸，温度可看为平面温度场，可用有限元法或平面差分法计算，为了配会后面的应力计算，我们采用差分法计算温度场。5.3 温度应力计算方法闸室墙和底板共同组合成倒T形梁的结构形式，闸室地基为软基，对上部结构的约束作用可以忽略，可按倒T形梁来计

7、算闸室墙的温度应力。5.4 收缩应力的计算方法混凝土因温度胀缩和收缩引起的应力是同样性质的，在计算收缩应力时，一般都是将收缩量换算为当量的温度，然后利用计算温度应力的方法计算。为简化计算，我们将收缩的当量温度直接迭加到计算得到的温度之中和温度应力一起计算，最后得到的结果是温度应力与收缩应力的综合结果。5.5 温度与应力计算工况温度和应力共分以下几种工况计算，每一种都对应着一组温度和应力。a. 闸室墙在8月份浇筑，除掺粉煤灰外，不采取其它防裂措施。b. 在墙体表面悬挂土工布，并保持土工布湿润，即使闸室墙处于保温、保湿状态。c. 在保温、保湿的基础上，降低混凝土的入仓温度3，并选择在旬平均气温低于

8、20时施工。6 温度与应力的计算结果6.1 温度计算结果温度变化的一般规律 图1为闸室墙1.4m高处(从牛腿顶面算起，下同)的中心点和表面点的温度过程线（工况a），该处的中心点亦最高温度点。由图看出，混凝土浇筑后，中心点在4.5天前一直升温，最高温度可达62.86，4.5天后开始降温，35天后接近气温。表面点温度3天即达最高温度（43.99）。3天后开始降温，20天后与外界气温相近。图1 典型点温度变化曲线左右。表面点的温度亦随高度的增加而减小，但变化不大，最大相差小于4。 几种工况下温度特征值表6-1列出3种工况下的主要温度特征值，由上所述，1.4m高度为最高温度断面，表中的平均温度亦指该断

9、面的平均温度。由表可知，工况a的各项特征值都较大；工况b因有土工布的保温作用，最高温度和最高温升比工况a略大，最高平均温度也最大。但内外温差较工况a小；工况c各项特征值都明显减小。图2 沿墙高度温度变化曲线表6-1 几种工况的温度特征值工 况最高温度/最高平均温度/最高温升/内外温差/工况a62.8656.4832.8616.06工况b62.8959.0532.8915.09工况c58.9253.3928.9213.286.2应力计算结果以下介绍的应力结果均包含了温度应力和收缩应力，是二者迭加的结果。同时所有应力均已换算为徐变应力。 应力变化的一般规律为掌握应力变化过程，需要了解应力变化的一般

10、规律，图3给出了1.4m高度上不同计算点的应力过程线。其中，中为中心点应力，表为表面点应力，40为距表面40cm的点的应力。由图可知，中心点11天前为压应力，11天后变为拉应力，且拉应力逐渐增大，一个月左右达最大值，以后逐趋稳定。表面点与中心正好相反，11天前为拉应力，11天以后为压应力，一个月后压应力趋于稳定。早期的表面最大拉应力出现在45天。距表面40cm的点，其应力变化情况和应力的大小都介于中心点和表面点之间。所以，淮阴三线船闸的闸室墙容易产生裂缝的时间是：表面裂缝为45天，中心裂缝（一般易发展为贯穿裂缝）为30天左右。图3 典型点应力变化曲线闸室墙的最大应力区所以，闸室最容易产生裂缝的

11、区域是0.31.8m高度之间。表6-2不同墙身高度的最大应力高度/m0.71.43.65.8中心点2.592.021.190.73表面点0.780.790.680.49不同工况下的最大拉应力将3种工况下算出的最大拉应力列于表6-3中，从表中结果看出，无论是中心点还是表面点，都以工况a的应力最大，工况c的应力最小，工况b处于二者之间。表63各种工况的最大拉应力（MPa）工况工况a工况b工况c备注中心2.592.342.06表面0.790.470.41应力结果分析(1) 闸室墙混凝土的抗拉强度根据室内试验结果4，混凝土的抗拉强度为：7天1.2MPa，28天2.0MPa，由此可以估算5天的抗拉强度为

12、0.9MPa，40天的抗拉强度为2.14MPa。(2) 各种工况下混凝土的抗裂分析表5-3中，表面的最大拉应力都出现第5天龄期，中心的最大的拉应力都有出现在40天龄期。比较混凝土龄期的抗拉强度和表5-3中的结果可知，各种工况下表面拉应力均小于抗拉强度。工况a和工况b的中心点拉应力已超过了混凝土的抗拉强度，这两种工况都可能使闸室墙开裂。工况c中的中心点拉应力小于混凝土的抗拉强度，表面拉应力也比前两种工况小，说明工况c可以满足防裂要求。(3) 各种措施的防裂效果工况a掺入了粉煤灰，降低了水化热温升，因无表面保护，使内外温差和干缩较大，表面拉应力(0.79MPa)已接近混凝土的抗拉强度（0.9MPa

13、），再因较高的温升产生了较大的自生应力和约束应力(2.59MPa)，已较大地超过混凝土的抗拉强度。工况b采用了土工布保温，并用水管连续喷水养护，降低了内外温差和混凝土的收缩，因而使表面拉应力显著降低(41%)，降至0.47MPa，远低于混凝土的抗拉强度(0.9MPa)，由于内外温差和收缩的减小，约束应力也明显降低，中心拉应力降低了9.7%。上述情况说明工况b采取的措施对于闸室墙防裂有显著效果，但因混凝土的最高温度和温升并未降低，中心应力虽然较工况a降低了0.25MPa，但仍有2.34MPa，大于混凝土的抗拉强度。工况c在工况b的基础上，从降低入仓温度和最高温升入手，进一步降低骨料温度，采用地下

14、水拌和，并在低温期浇筑混凝土。这些综合措施的采用，明显地降低了混凝土的最高温升和内外温差，使中心应力和表面应力进一步降低。和工况a相比，中心应力降低了20%，表面应力降低了48%。中心应力为2.06MPa，小于混凝土的抗拉强度(2.14MPa)，表面应力为0.41MPa，仅为混凝土抗拉强度(0.90MPa)的46%。显然，工况c的防裂措施已能满足闸室墙的防裂要求。7 防裂措施由前所述，闸室墙裂缝由温度应力和收缩应力引起，防裂措施的主要内容也就是温度控制与湿度控制措施。根据上面几种工况的应力计算结果与分析，再根据工地现场的实际情况，制订出以下防裂措施：7.1 降低水化热温升7.2 降低入仓温度7.3 降低内外温差7.4 防止混凝土干缩7.5 保证施工质量，提高混凝土的抗裂强度8 闸室墙的防裂效果淮阴三线船闸闸室墙从2001年9月开始施工，至2002年1月完成，至今已一年有余，并经过了冬天的考验，尚未发现裂缝。由前面的计算结果可知最大抗拉应力发生在一个月左右，此后应力不再增加。江苏已建的多个船闸裂缝也多发生在一个月之内，少数发生在第一个冬天。所