重力式码头胸墙混凝土的早期温度应力计算及应变监测

第七届全国混凝土耐久性学术交流会

重力式码头胸墙混凝土的早期温度应力计算及应变监测

季辉１李超２熊建波２

（１．山东高速青岛公路有限公司，山东青岛２６６０６１；２．中交四航工程研究院有限公司）

［摘要］：因温度、收缩等原因产生的裂缝不仅影响了胸墙混凝土结构的外观，降低了结构的耐久性，

也危害了混凝土结构的安全性。为了探明胸墙混凝土温度应力形成及发展的机理。为胸墙混

凝土的控裂提供一定的依据，本文结合现场结构实测温度变化曲线，计算了胸墙底层混凝土

结构的早期温度应力，并在温度应力最大值位置附近埋设传感器监测混凝土的应变，以验证

温度应力计算的结果。

［关键词］：胸墙裂缝温度应力应变监测

１．引言

胸墙混凝土浇筑在刚性的混凝土基础上，受到基础的刚性约束，温度沿厚度方向变化。当浇筑体温度下降，混凝土逐渐冷却收缩，其弹性模量较初期有较大增长，冷却收缩产生拉应力，此时混凝土处于受拉状态。当冷却收缩产生的拉应力超过此时混凝土的抗拉强度时，将产生裂缝，从而破坏结构的整体性；气温骤变和表面干燥失水也将使混凝土产生拉应力。二者叠加，可能导致细微裂缝逐步扩展，对结构的整体性和稳定性产生不良影响。混凝土的裂缝控制可从以下两方面着手：一是提高混凝土材料本身的抗裂性能：二是减小约束及温度等对混凝土体积稳定性的影响。海港工程中的重力式码头胸墙属于典型的海工大体积混凝土，在配合比设计中，出于同时满足混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的要求，往往采用低水胶比，较高的胶凝材料用量等措施，这势必会引起混凝土温升和自收缩加剧。胸墙大体积混凝土裂缝控制的主要难点就在于如何控制温度应力。

本文针对某工程重力式码头胸墙底层的结构特点，计算结构温度应力的发展，并在旌工现场对部分胸墙结构在容易出现开裂的部位埋设温度传感器和应变传感器，进行温度和应力的监控，据以指导现场控裂。

２．原材料

１）水泥：使用的是广东东莞华润水泥厂的Ｐ．０４２．５Ｒ普通硅酸盐水泥。

作者简介：季辉，男，１９７５．５，工程师，青岛市崂山区苗岭路２９号，２６６０６１；联系电话：１３９６９１５５６７２５１８

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ｚ）矿物掺合料：使用的是深圳妈湾电厂生产的ＩＩ级粉煤灰与广州粤和建材有限公司的￥９５级磨细矿渣粉。

３）外加剂；使用的是广州建筑宝的ＪＺＢ萘系高效减水剂，减水率，＞２０５，固含量为３３％。４）集料：使用的粗集料是粒径范围在５～２５ｍｍ的石灰岩碎石，细集料是细度模数为２．６９的中粗河砂。

３．混凝土配比

在满足混凝土工作性、力学性能、耐久性能等要求的前提下，从提高混凝土抗裂性能出发，采用大掺量矿物掺合料、尽量减少胶凝材料用量以及使用缓凝型高效减水剂等技术来控制胶凝材料水化放热总量、水化放热速率，缓和温度曲线，提高混凝土体积稳定性，确定Ｃ４０强度等级胸墙混凝土配合比如表ｌ所示。

表ｌ胸墙混凝土配合比

组分

材料用量（ｋｇ／ｍ３）水１４９水泥１６４粉煤灰８２矿粉ｌ“河砂７１４碎石：ｌｌｌ７减水剂９．８４４．混凝土物理性能

参照《水运工程混凝土试验规程》中的试验方法，测试混凝土在不同龄期的抗压强度、抗拉强度以及弹性模量，面混凝土的热膨胀系数及比热容是根据混凝土各组分熟性能系数按照加权平均法进行估算，其主要性能指标如表２所示。

表２胸墙混凝土物理性能指标

弹性模量

物理

性能

２８ｄ

Ｃ４０４．１３ｄ２５．１７ｄ３８．９２８ｄ５２，８３ｄ２．１７ｄ２．８２８ｄ３．６８．１０．９６抗压强度（咿ａ）（ＧＰａ）劈裂抗拉强度（ｇＰａ）热膨胀系数（１０１／＇Ｃ）比热（ｋＪ／（ｋｇ＂℃）

５．温度应力计算

５．１混凝土温升

根据胸墙混凝土胶凝材料体系的水化放热情况，假定混凝土处于四周都不能传输热量的绝热状态，混凝土在硬化工程中温度持续上升，拟合出混凝土在硬化过程中的绝热温升公式：５１９

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Ｑ（ｆ）：４６７５～１２Ｐ南一１９．７Ｐ孟一１７７Ｐ矗

式中：Ｑ（ｆ）一龄期为ｆ时混凝土的绝热温升（℃）；

ｒ一混凝上龄期（ｄ）。

混凝土的绝热温升曲线如图１所示。但是，实际工程中结构都不是绝热的，在胶凝材料水化放热的同时．就与外界有热量的传输，当外界温度低于混凝土内部温度时就会有热量散失，水化热升温直至峰值过后．继续散热就会导致混凝土内部温度下降，随着龄期的增加，这个降温过程会延续十余天直至三十余天…。混凝土的散热与结构尺寸大小、厚度、外界环境（温度、湿度、风速、养护条件以及相邻结构）等都有关系，计算情况较为冗繁，而且由于许多边界条件难于界定，其计算结果可能也不足非常准确，本文根据圈２所示现场实测降温曲线计算早龄期混凝土在硬化过程中产生的温度应力。胸墙底层混凝土中心最高温度为５８℃，出现在混凝土浇筑完成后的ｌ４ｄ，之后中心温度随着龄期的增长逐步降低，胸墙底层混凝土上表面及Ｆ表面温度变化趋势与中心样，在１４ｄ龄期后各部位温度值趋于相同。胸墙底层混凝土中心各龄期温度及温差如表３所示。

｜：１／／——。。。。

龄期

温度（℃）入模”｛，／一一龄期（ｔ）固１混凝土绝热温升曲线图２胸ｉ女混凝±实测温度曲线表ａ胸墙底层中心各龄期温度及温差２８ｄｚｚ－ｊ

一ｌｌ梯度温差ＡＴｆ℃）４注：梯度温差＝Ｔ（ｄ－Ｉ）－Ｔ（ｄ）问题：时间间隔满足ｄ和（ｄ＋１）的关系，建议删除

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５．２混凝土的温度应力

１）弹性模量

混凝土的弹性模量反应的是瞬时荷载作用下的混凝土应力应变性质，并且随着混凝土龄期的增长而增长，将会在很大程度上影响混凝土的温度应力及其性质，根据胸墙混凝土各龄期的弹性模量，采用指数函数拟合出一条能较准确反应混凝土弹性模量发展变化的曲线，如图３所示。回归分析出的弹性模量公式为：

－ｔ

Ｅ（ｔ）＝４．２４—１．７１ｅ８．４７

式中：Ｅ“）一龄期ｔ时弹性模量（１０４ＭＰａ）；

卜一混凝土龄期（ｄ）。（２）

一４∞

Ｑ－

至

．ｏ

写

■

筇

捌

最

扣加∞∞１∞

龄期（ｔ）

图３胸墙混凝土弹性模量随龄期变化曲线

２）混凝土应力松弛系数

当结构的变形保持不变时，结构内的应力因徐变而随时间衰减的现象称松弛。在计算温度应力时，徐变所导致的温度应力的松弛，有益于防止裂缝煎开展。因此在计算混凝±的抗裂性时显然需要把松弛考虑进去，其松弛程度与加荷时混凝土的龄期有关，龄期越早，徐变引起的松弛亦越大。与应力作用时间长短亦有关，时间越长则松弛亦越大馏１。国内外也提出了多种估算混凝土应力松弛系数的方法，其中由徐变直接计算松弛系数的方法得到广泛应用，但由于计算较繁不便于工程实用。吴胜兴等采用弹性徐变理论推求出标准状态下的松弛系数估算公式及非标准状态时的修正系数，并编制成便于实用的应力松弛系数计算表格ｂ］。其估算公式如下：

所（，，霄）＝ｌ一（ｏ．２１２５＋０．３７８６ｉｒ，却．１＂）１１一ｅ－Ｏ．５４６４（卜ｆｆ’ｌ５２１

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一０．０４９５＋０，２５５８Ｅ－－０．０７２７且已－０．０１５∽）】

式＿孛；手砖，神一涅凝±应力捡魏系数；

ｒ混凝土龄期（ｄ）：

囊一混凝±承受蓊载龄期（ｄ）。（３）

本文按照公式（３）计算混凝土在产生温度应力过程中的应力松弛系数，由于胸墙混凝土中心最高温度出现在浇筑完成后的１．４ｄ，随后温度逐步降低，产生收缩应力，为了便于松弛系数的计算，取应力产生龄期为２ｄ。各龄期混凝土的应力松弛系数如表４所示。

轰Ｉ降温阶段混凝主应力松弛系数

｝

ＩＬ：‘，０．７８７』４７，Ｄ０．４６４１２０４５４１Ｓ０．４３２２６０．４０６Ｈ＜‘卅０．５４２Ｏ，４８４

３、收缩当量温差

王铁梦认为由于混凝土在硬化过程中浆体材料在物理．化学因素左右下会产生收缩变形，这些不同种类的收缩变形助长了温度变形引起的应力，可能导致混凝土开裂，因此在温度应力计算中必须把收缩这个因素考虑进去，为了计算方便，把收缩换算成“收缩当量温差”【４１：

弓∞＝乞６Ｍ－Ｍ２…犯９ｔ（２一Ｐ枷”）／ａ（４）

式中旷为混凝土温度膨胀系数（１０４／℃）；

卜混凝土龄凝（Ｄ；

Ｍ 鸩…Ｍｏ一修正系数；

Ｃｙｏ一混凝主不冠龆觏的收缩量，取僮为３．始×１０４。根据公式４计算胸墙混凝土各龄耱豹牧缱当重温羞殁温差搽瘦，懿表５所示，

裹ｊ胸墙混凝土收缩当量温差

龄期

收缩当量温差Ａ（℃）

梯度（℃）

缝；铝度＝Ｔ△（ｄ＋１）一△１－（ｄ）１．哇ｄ３ｄ铽９ａ１２ｄ１４ｄ２０ｄ２８ｄ０．４５０．９６１．８９２．７９３．６６４．２３５．８７７．９ｌ一０．５１—０，９３－０．９０—０．８８—０．５７—１．６４－２．０４同彭面问题相同，５２２

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４）应力计算

胸墙底层混凝土长度为１８ｍ、宽度为９ｒｎ、厚度为Ｉｍ，浇筑在强度等级为Ｃ４５沉箱盖板之上，其对胸墙的约束可视为弹性约束，胸墙混凝土在降温过程中，混凝土会收缩变形，会因底部的盖板约束产生拉应力，这个应力可以根据龚召熊等采用的约束系数法进行计算

【５】口即

盯：＿ＥａＡＴｌ一∥Ｈ（ｆ，ｒ）Ｒ（５）

式中：矿一温度应力（ＭＰａ）５

且一弹性模量（１０４ＭＰａ）ｏ

∥一混凝土泊松比，这里取值０．１５；

尼一约束系数；

Ｑ—熟膨胀系数（１０－６／℃）；

日（ｆ，ｆ）一应力松弛系数；

△ｒ一综合考虑水化热温降梯度及收缩当量温差梯度的降温差（℃）。

根据温度应力计算公式（５）选取适当的约束系数，计算底层胸墙结构不同龄期的最大温度应力，发现胸墙底层混凝土截面中最大温度应力出现在距离底面３５ｃｍ处，具体如表６所示。可见在混凝土内部温度峰值过后，温度开始下降时产生就拉应力，到２８龄期，因温度及收缩而产生的总拉应力为２．９８ＭＰａ，可以满足抗裂条件。虽然在温度应力计算中混凝土的抗裂能力满足安全性要求，但是其在温度峰值过后，由于在３－－０６ｄ龄期内温度出现了突降，产生了较大的拉应力，对结构安全具有一定的威胁，应该延长混凝土的拆模时间，并注意加强外部的保温。

表６底层胸墙结构不同龄期最大温度应力

龄期（ｄ）

温度应力（Ｍｅａ）３６９１２１４２０２８累计－２．９８２８ｄ抗拉强度３．６．１．１３．１．０７—０．４５．ｏ．２５一ｏ．１０－０．３４＿０．１ｌ

６．应变监测

根据以上温度应力计算的结果，在胸墙底层混凝土截面中不同部位埋设应变传感器，监测混凝土在硬化过程的应变以及最大应变出现的位置，对比混凝土应力计算的结果，调整混凝土的浇筑和养护，并采取有效的措施来防止混凝土结构出现早期裂缝。

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２５０

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图４１０１５唔Ｏｍ峙∞弱∞龄期（ｄ）蝴图５曲８＃胸墙底层中心截面不同位置应变２４＃胸墙底层中心截面不同位置应变

８＃与２４＃胸墙底层混凝土中心截面垂直底面轴线上不同位置的应变曲线如图４与图５所示，在监测期间未见混凝土结构出现明显裂缝。由图可见混凝土浇筑完毕后随着龄期与混凝土温度的增长，混凝土体积出现膨胀，应变增大，随着水化程度的加剧，应变值达到最大，其后由于混凝土温度开始降低，混凝土出现收缩，应变也开始降低。其中８＃胸墙底层混凝土在２．６ｄ龄期附近应变达到最大值，２４＃胸墙的在２．８ｄ龄期附近应变达到最大值，可以认为混凝土各部位应变的变化规律与中心温度变化规律相近，但其最大值出现时间较温度峰值出现时间稍晚。此外，发现胸墙底层混凝土在距离底面３５ｃｍ处应变的变化值比其它位置的都大，说明在混凝土硬化过程中这个位置由于膨胀或者收缩产生的应力也比其它位置大，这与混凝土应力计算中胸墙底层混凝土最大应力出现在距离底面３５ｃｍ处的规律是一致的。

７．结论

１）胸墙底层混凝土中心最高温度为５８℃，出现在混凝土浇筑完成后的１．４ｄ，之后中心温度随着龄期的增长逐步降低。

２）胸墙底层混凝土上、下表面温度与中心温度变化趋势一样。

３）采用指数函数可以拟合出能较准确反应胸墙混凝土各龄期弹性模量发展变化的曲线。４）胸墙底层混凝土截面中计算最大温度应力出现在距离底面３５ｃｍ处，总拉应力为２．９８ＭＰａ，其抗裂度为１．２，可以满足抗裂要求。

５）监测得混凝土各部位应变的变化规律与中心温度变化规律相近，但其最大值出现时间较温度峰值出现时间稍晚。

６）胸墙中心截面监测应变最大值出现位置与计算的最大值温度应力出现位置一致。

５２４

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参考文献

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版），２００２，１９（４）：７６—７７．

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