一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法技术

本发明专利技术公开了一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法，包括如下步骤：（1）确定温控防裂目标；（2）计算允许最高温度；（3）拟定温控方案，计算混凝土内部最高温度，在计算最高温度≤允许最高温度的前提下，设计温控防裂方案。本发明专利技术方法的计算公式简单，能合理反映围岩性能、衬砌结构尺寸、混凝土强度、洞内空气温度、通水冷却及其水温、浇筑温度等的影响，可以迅速计算出门洞形断面结构衬砌混凝土施工期各月浇筑施工的允许最高温度，对不同的温控方案迅速预算衬砌混凝土内部最高温度，在满足内部最高温度≤允许最高温度和经济的条件下提出工程适用的温控防裂施工方案，与有限元法仿真计算成果误差小于3%，特别适用于初步设计和现场施工实施方案优化调整。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工程结构混凝土温控防裂
，具体的说是一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法。
技术介绍
裂缝是混凝土的主要病害之一，著名的水电专家潘家铮院士断言“世界上没有无裂缝的水坝”。根据裂缝产生的主导原因，可分为外荷载作用引起的结构性裂缝和变形变化作用引起的非结构性裂缝两大类。变形作用包括温度、干缩湿胀和围岩变形等，其中80％都是温度裂缝。例如，随着水利水电工程建设发展，地下水工的规模和断面尺寸越来越大，西部开发地质等环境条件越来越复杂，而且随着坝高的增大泄水的流速越来越高，混凝土强度等级也越高，近些年建设的大断面高强度地下水工衬砌混凝土，只要不采取有效的措施，无一例外地都产生了大量裂缝，而且大多是施工期产生贯穿性的温度裂缝(参见图1a和图1b)。地下结构工程长期处在潮湿、干湿交替的环境中工作，危害性裂缝的存在严重影响着工程结构的安全性、施工进度工期、导致渗漏甚至渗透破坏、耐久性和寿命、工程造价和美观，还可能诱发其它病害的发生和发展。现行有关设计规范对于地下工程衬砌混凝土温度裂缝的控制及其计算方法一般都缺乏明确与具体的规定，没有明确的温控标准。如《水工混凝土结构设计规范》在4.1.2(3)要求“对使用上要求进行裂缝控制的结构构件，应进行抗裂或裂缝宽度验算”，在4.1.8规定“建筑物在施工和运行期间，如温度的变化对建筑物有较大影响时，应进行温度应力计算，并宜采用构造措施和施工措施以消除或减少温度应力。使用中允许出现裂缝的钢筋混凝土结构构件，在计算温度应力时，应考虑裂缝开展而使构件刚度降低的影响”。在4.3.2规定“钢筋混凝土结构构件设计时，应根据使用要求进行不同的裂缝控制验算。(1)抗裂验算：承受水压的轴心受拉构件、小偏心受拉构件以及发生裂缝后会引起严重渗漏的其它构件，应进行抗裂验算。如有可靠防渗措施或不影响正常使用时，也可不进行抗裂验算”。但没有指明抗裂计算方法，也没有温控标准。又如《水工隧洞设计规范》(DL/T5195-2004)仅在11.2.6条要求“温度变化、混凝土干缩和膨胀所产生的应力及灌浆压力对衬砌的影响，宜通过施工措施及构造措施解决。对于高温地区产生的温度应力，应进行专门的研究”。对使用上要求控制裂缝的部分地下工程衬砌混凝土(如高流速泄洪洞、发电洞引水段等)在施工期的温控防裂设计计算，目前主要采用有限元法。在完成结构设计后，通过大量方案的仿真计算提出施工温控防裂方案及其现场施工最高温度控制标准。这样做，精度较高，而且可以优化施工方案。但需要先进行混凝土配合比和大量性能参数试验，试验和仿真计算需要花费较多的时间；而且需要花费较多的资金；对于没有确定施工配合比和没有混凝土性能试验时无法进行；不能适用于初步设计阶段和施工中方案快速调整。特别是至今的有关规范没有施工期温控防裂设计的抗裂安全系数要求值，如水工隧洞衬砌混凝土温控防裂设计时都是参考大坝设计规范。多数设计单位是参考大坝强约束区混凝土的温控标准提出最高温度控制值(以下称为强约束法)，温控施工方案由施工单位制定。施工单位一般是根据混凝土配合比、运输距离与方式、气温等对拟定混凝土拌合(是否制冷及其措施)和浇筑施工温控(如通水冷却)方案进行衬砌结构混凝土最高温度计算，提出满足设计标准的施工方案。这样做，首先是大坝混凝土的温控标准不能适用薄壁衬砌结构，没有反映混凝土强度、围岩类别、衬砌厚度和结构尺度等差别的影响；其次是施工单位计算衬砌混凝土内部最高温度的误差大，大量系数取值人为性强；两方面的温差可能导致制定的施工方案相距甚远，不能有效实现温度裂缝控制目标。综合以上情况说明，目前地下工程衬砌混凝土施工期温控防裂，没有明确的要求和技术标准；现有设计计算方法有的花费时间、费用较多，不能适用于无混凝土试验成果的初步设计阶段和施工中方案快速调整；有的误差较大，不能有效实现温度裂缝控制目标。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法，可在浇筑施工过程中针对发现问题和施工技术、条件等的改变，不断实时优化改进施工温控措施，实现温控目标。为了解决上述技术问题，本专利技术以溪洛渡水电站水工隧洞门洞形断面结构衬砌混凝土200多仓现场温控观测和裂缝检查成果为基础，采用如下技术方案进行研究。一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法，包括如下步骤：(1)确定温控防裂目标；(2)计算允许最高温度【Tmax】；(3)设计温控防裂方案，具体包括如下子步骤；(3.1)分析可变量，拟定衬砌混凝土温控防裂施工措施方案；(3.2)计算各方案衬砌混凝土内部最高温度Tmax；(3.3)在计算最高温度Tmax≤允许最高温度【Tmax】的前提下，优选方案，供施工应用。所述步骤(1)的温控防裂目标，根据设计规范、衬砌结构物的级别、运行期裂缝的危害、安全性和防渗性要求来确定。所述步骤(2)的允许最高温度【Tmax】，是将门洞形断面衬砌结构有关参数代入如下3个公式计算得到【Tmax】＝min(T1max，T2max)(1)T1max＝4.46×H-0.038×H0-0.037×L+0.096×C-0.134×E+0.3669×Ta+22.1315(2)T2max＝Tmin+4.47×H-0.0378×H0-0.0381×L+0.0976×C-0.124×E+0.3669×Ta+9.254(3)式中：T1max—早期水化热温升后温降阶段计算允许最高温度；T2max—冬季温降阶段计算允许最高温度；H—衬砌混凝土结构的厚度(m)；H0—边墙高度(m)，当边墙与顶拱整体浇筑时，H0＝边墙高度+1/2顶拱弧线长度；L—衬砌混凝土结构分缝长度(m)；E—围岩变形模量(GPa)；C—衬砌混凝土按90天龄期设计的强度等级(MPa)；Ta—衬砌混凝土浇筑施工时洞内空气温度(℃)；将衬砌结构厚度、边墙高度、分缝长度、围岩变形模量、混凝土强度等级和一年12个月的平均气温Ta代入，从而获得该12个月浇筑门洞形断面衬砌混凝土的允许最高温度。必须指出的是，(1)衬砌混凝土采用28天龄期设计的强度等级时，需要按照规范换算为90天龄期设计的强度等级；(2)施工期如果采用挂帘保温，使得地下洞室空气温度提高，则Ta应该采用提高后的洞内空气温度。另外，由于公式(2)和公式(3)是采用没有发生裂缝的温度观测成果统计获得的，实际工程使用计算允许最高温度【Tmax】时，一般抗裂结构可以直接采用；对于抗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法，其特征在于包括如下步骤：(1)确定温控防裂目标；(2)计算允许最高温度【Tmax】；(3)设计温控防裂方案，具体包括如下子步骤；(3.1)分析可变量，拟定衬砌混凝土温控防裂施工措施方案；(3.2)计算各方案衬砌混凝土内部最高温度Tmax；(3.3)在计算最高温度Tmax≤允许最高温度【Tmax】的前提下，优选方案，供施工应用。

【技术特征摘要】
1.一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法，其特征在于包括如下
步骤：
(1)确定温控防裂目标；
(2)计算允许最高温度【Tmax】；
(3)设计温控防裂方案，具体包括如下子步骤；
(3.1)分析可变量，拟定衬砌混凝土温控防裂施工措施方案；
(3.2)计算各方案衬砌混凝土内部最高温度Tmax；
(3.3)在计算最高温度Tmax≤允许最高温度【Tmax】的前提下，优选方案，供施工应用。
2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于：所述步骤(1)的温控防裂目标，根据设计
规范、衬砌结构物的级别、运行期裂缝的危害、安全性和防渗性要求来确定。
3.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于：所述步骤(2)的允许最高温度【Tmax】，是
将门洞形断面衬砌结构有关参数代入如下公式计算得到
【Tmax】＝min(T1max，T2max)(1)
T1max＝4.46×H-0.038×H0-0.037×L+0.096×C-0.134×E+0.3669×Ta+22.1315(2)
T2max＝Tmin+4.47×H-0.0378×H0-0.0381×L+0.0976×C-0.124×E+0.3669×Ta+9.254(3)
式中：T1max—早期水化热温升后温降阶段计算允许最高温度；
T2max—冬季温降阶段计算允许最高温度；
H—衬砌混凝土结构的厚度(m)；

【专利技术属性】
技术研发人员：段亚辉，樊启祥，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42