根据前述结构参数,建立的地下通道有限元模型如图2所示。
混凝土结构开裂是一个复杂的问题,会受到自身材料性能、结构尺寸、施工工艺等多个因素的影响,故对其进行裂缝控制时需要明确各因素对结构开裂风险的影响规律。考虑到该地下通道使用的材料、混凝土配合比、设计的结构尺寸以及施工季节等已经确定,前期采用midas Civil进行影响因素开裂风险评估时,可考虑的变量不多,现从施工环节的四个因素:入模温度、模板类型、拆模时间、养护时长入手,分析其对侧墙结构开裂风险的影响,从中确定较优的裂缝控制方案指导现场施工。针对该地下通道的侧墙结构,设置的4种分析工况的具体参数如表2所示。
针对同一种工况分别设置不同的参数条件,得出侧墙结构在该参数条件下的温峰时间及温升值,同时结合目前认可度较高的“水化-温度-湿度-约束”多场耦合机制的抗裂性评估理论与方法,采用混凝土最大拉应力与容许抗拉强度的比值———开裂风险系数η来评估其开裂风险,一般认为当η≥1.0时,混凝土一定会开裂;当0.7≤η<1.0时,混凝土存在较大的开裂风险;当η<0.7时,混凝土基本不会产生有害裂缝。
3.1入模温度
入模温度选取的参数值是15℃、20℃、25℃、30℃,其它影响因素设置如下:模板采用8mm厚木模板、7d拆模、无养护。
不同入模温度下侧墙结构中心温度的变化曲线如图3所示,温峰时间、温峰值、温升值的统计结果如表3所示。由图3、表3可知,随着入模温度升高,温峰出现的时间逐渐提前,扣除入模温度后的温升值也有所升高。主要是因为入模温度越高,水泥水化反应的速度越快,导致温峰出现的时间越早;同时较高的温度环境会促进水泥水化得更充分,产生的水化热更多,导致温升值升高。
不同入模温度下侧墙结构前10d开裂风险变化曲线如图4所示。由图4可知,入模温度越高,开裂风险越大;从15~30℃,开裂风险系数达到0.7所用的时间依次为7.8d、6.2d、4.8d、3.9d。
综上所述,降低入模温度,可以降低结构的温升值,降低开裂风险,有利于侧墙结构进行裂缝控制。根据施工组织设计,该侧墙结构预计施工时间为4~5月,考虑到入模温度控制越低,造价越高,推荐入模温度控制在20℃左右。
3.2模板类型
模板类型选择目前工程上最常用的木模板和钢模板,其它影响因素设置如下:入模温度20℃、7d拆模、无养护。
不同模板类型侧墙结构中心温度的变化曲线如图5所示。由图5可知,钢模板在26h达到温峰46.3℃;跟木模板相比,温峰时间提前了21h,温峰值降低了16.1℃;且钢模板的降温速率明显大于木模板。主要是因为钢模板的散热性比木模板好,混凝土中的热量不易积聚。根据图6不同模板类型侧墙结构前10d开裂风险变化曲线可知,钢模板在前8.5d的开裂风险均高于木模板,且钢模板开裂风险系数达到0.7所用的时间为3.4d,比木模板的6.2d提前了2.8d。主要是因为达到温峰之后,钢模板良好的散热性导致降温速率过快,容易产生温度裂缝。
综上所述,选择木模板更有利于侧墙结构早期的裂缝控制,推荐使用木模板。
3.3拆模时间
拆模时间选取的参数值是3d、4d、5d、6d、7d,其它影响因素设置如下:入模温度20℃、模板采用8mm厚木模板、无养护。
不同拆模时间侧墙结构中心温度的变化曲线如图7所示,拆模前的温度变化是一样的,拆模后,结构的降温速率明显提高。这是因为模板拆除后,加快了混凝土结构的散热。降温过快就会导致混凝土结构的开裂风险增加。由图8所示的开裂风险曲线可知,拆模时间越早,结构开裂风险系数达到0.7所用的时间就越短,3d拆模所需时间4.5d,而7d拆模的时间为6.2d,延长了1.7d。
综上所述,延迟拆模时间,可降低开裂风险,有利于侧墙结构进行裂缝控制,推荐第7d拆模。
3.4养护时长
针对基本工况:入模温度20℃、模板采用8mm厚木模板、7d拆模、无养护,根据运算结果可知,侧墙结构在前6.2d无开裂风险,在6.2~7.8d具有较大的开裂风险,7.8d之后一定会开裂,故还须采取其它的裂缝控制措施,比如增加保温保湿养护。针对该侧墙结构,其侧面和顶面按覆盖4cm厚的草袋同时进行洒水保湿来考虑,养护时长选择1d、2d、3d。
不同养护时长侧墙结构中心温度的变化曲线如图9所示,前7d的温度变化是一样的,拆模后,施加保温保湿养护会延缓结构的降温速率,温度曲线会高于无养护时的情形。由图10所示的开裂风险曲线可知,施加保温保湿养护会降低结构的开裂风险,养护时间越长越有利于降低开裂风险。针对侧墙结构,如果施加3d的保温保湿养护,有利于将开裂系数控制在1.0以内,降低开裂风险。
综上所述,施加保温保湿养护且适当延长养护时长,有利于侧墙结构进行裂缝控制。
根据此次数值分析的结果,推荐该侧墙结构的裂缝控制方案为入模温度控制在20℃左右,采用木模板,7d拆模,拆模后使用4cm厚的草袋进行保温保湿养护,养护时长3d。采用此方案后,侧墙结构前10d基本无有害裂缝产生,裂缝控制效果较好,现场效果如图11所示。
a.根据对27m×3.2m×1m厚的大体积混凝土侧墙结构的数值分析结果来看,降低入模温度,选择合适的模板类型,延长拆模时间,增加养护时长,均有利于降低侧墙结构的开裂风险,有利于改善裂缝控制的效果。
b.在实际应用中,须根据现场情况调整数值分析的结果,根据开裂风险系数的大小,在允许范围内还可以增加其它裂缝控制措施,如在混凝土中加入水化热抑制剂、布置冷却水管等。