CN110532649B - 端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，包括：步骤1.收集端部自由衬砌板混凝土温控防裂计算用资料；步骤2.分析确定端部自由板衬砌混凝土温控防裂目标和允许温度应力【σ_max】取值；步骤3.设计温控防裂措施方案，包括如下子步骤：步骤3‑1.分析可变量，拟定多个端部自由衬砌板混凝土温控防裂施工措施方案；步骤3‑2.根据公式1计算拟定各温控防裂施工措施方案端部自由衬砌板混凝土施工期最大温度拉应力σ_max；步骤3‑3.在σ_max≤【σ_max】的情况下，依据简单实用经济的原则优选措施方案，供施工应用。通过本方法对施工温控措施进行优化改进，能够有效地实现端部自由衬砌板混凝土的温控目标。

Description

端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法

技术领域

本发明属于工程结构混凝土温控防裂技术领域，具体涉及一种端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法。

背景技术

裂缝是混凝土的主要病害之一。水利水电工程建设高速发展，水工结构的规模和断面尺寸越来越大，地质等环境条件越来越复杂。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。大断面高强度水工衬砌混凝土，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1和图2)。危害性贯穿裂缝的存在，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，也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，应进行防裂或裂缝宽度验算”，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”。但没有指明温度应力和温控防裂的计算方法。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水工衬砌混凝土(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，通过大量方案的温度与温度应力的仿真计算分析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，而且可以优化施工温控方案。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试验获得混凝土性能参数时无法进行；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防裂安全系数要求值，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。

一些设计单位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、围岩性能、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。特别是，没有计算分析温度应力。

综合以上情况说明，目前水工结构衬砌混凝土施工期温控防裂，没有明确的要求和技术标准；没有简单高精度的设计方法，有限元法花费时间、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；强约束法误差较大，不能计算温度应力；都难以快速有效实现温度裂缝控制目标。

此外，由于结构形式(圆形、门洞形、平板等)不同，对于结构内部的约束也会有明显差异，同等温度作用下产生的温度应力也就有明显差异。同样，对于衬砌板式结构，端部自由的边坡衬砌、消力池(包括水垫塘)和溢洪道等端部自由板衬砌、公路路面混凝土等等，与受到围岩或者边墙衬砌混凝土约束的水工隧洞端部自由板衬砌相比，也会由于端部约束条件不同，同等温度作用下产生的温度应力也就有明显差异。所以最大温度拉应力计算公式及其计算结果也会不同，温控防裂措施及其方案设计结果也会不同。

例如，溪洛渡泄洪洞，左右岸无压段城门洞型结构和断面大小完全相同，边墙衬砌混凝土都是先浇筑边墙，左岸1^#、2^#泄洪洞无压段采取边墙与顶拱整体(一次性)浇筑方式，由于顶拱衬砌与边墙是整体，对边墙衬砌有强约束，同时底部直接浇筑至底部岩体也受到岩体约束；右岸3^#、4^#泄洪洞采取边墙与顶拱分开(2次)浇筑方式，即无压段城门洞型隧洞衬砌结构分3期浇筑：先浇筑边墙，而且不浇筑至底部岩体(底部也自由)；再浇筑顶拱；最后浇筑底板。所以，右岸3^#、4^#泄洪洞先浇筑的边墙衬砌，顶部、底部、上下游结构分缝4周都是自由端，也是四周端部自由衬砌板(只不过是直立板，不是水平板)。对于左岸1^#、2^#泄洪洞无压段，由于其属于与顶拱整体(一次性)浇筑方式，顶部受到顶拱约束，底部浇筑至底部岩体也受到岩体约束，可以近似采取专利201910105574.9提出的方法进行温控防裂设计；而对于与顶拱分开(2次)浇筑方式的右岸3^#、4^#泄洪洞边墙，由于其端部约束条件不同，因此该方法(专利201910105574.9)并不适用，亟需提供一种能够适用于端部自由衬砌板混凝土的温控防裂温度应力控制设计方法。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种用于端部自由衬砌板混凝土的温控防裂温度应力控制设计方法，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，实时用于优化改进端部自由衬砌板混凝土施工温控措施和温度应力计算，实现温控目标。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.收集端部自由衬砌板混凝土温控防裂计算用资料；

步骤2.分析确定端部自由板衬砌混凝土温控防裂目标和允许温度应力【σ_max】取值；

步骤3.设计温控防裂措施方案，包括如下子步骤：

步骤3-1.分析可变量，拟定多个端部自由衬砌板混凝土温控防裂施工措施方案；

步骤3-2.计算拟定各温控防裂施工措施方案端部自由衬砌板混凝土施工期最大温度拉应力σ_max(MPa)：

σ_max＝-0.0363×W+0.0465×C+0.0926×E+0.0156×T₀-0.0024×T_g+0.1870×ΔT-1.7377+0.0072×H×T₀+0.0144×H×E+0.0038×H×T_g-0.0534×H×ΔT-0.1018×H²-0.0019×E²+0.0022×W²-0.3370×1/H-0.0001127×T_g ²-0.0016637×T_g×T₀+0.00266×T₀ ²(公式1)

上式中：W为端部自由衬砌板对角线长度(m)；C为端部自由衬砌板混凝土按90天龄期设计的强度等级(MPa)；E为围岩变形模量(GPa)；T₀为端部自由衬砌板混凝土浇筑温度(℃)；ΔT为浇筑时洞内气温与冬季洞内最低气温之差(℃)，ΔT＝T_a-T_min，T_a为端部自由衬砌板混凝土浇筑施工时隧洞内空气温度(℃)，T_min为洞内冬季最低温度(℃)；H为端部自由衬砌板混凝土结构的厚度(m)；T_g＝35-T_w，表示通水和不通水冷却情况的温度效应值(℃)，在没有通水冷却的情况下取T_w＝35℃，在通水冷却的情况下T_w为通水温度(℃)；

将形衬砌结构边墙厚度、对角线长度、混凝土强度等级、围岩变形模量、浇筑温度、浇筑施工时洞内空气温度、洞内冬季最低温度、是否通水冷却及其水温代入公式1进行计算，即可获得对应该时期浇筑端部自由衬砌板混凝土的施工期最大拉应力；

步骤3-3.在σ_max≤【σ_max】的情况下，依据简单实用经济的原则优选措施方案，供施工应用。即在满足σ_max≤【σ_max】的方案中，按照安全、经济、合理、简单可行原则，选择优化措施方案。

优选地，本发明提供的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，收集的计算用资料包括：端部自由板衬砌结构设计资料，特别是温控防裂设计与计算成果、端部自由板衬砌结构断面尺寸(厚度、宽度、分缝长度等)、混凝土强度等级；环境资料，特别是地质条件围岩变形模量、洞内气温年变化规律、水温年变化规律；混凝土浇筑施工资料，特别是混凝土浇筑施工温控措施设计方案、浇筑温度、浇筑施工时洞内空气温度、是否通水冷却及其水温等。

优选地，本发明提供的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，还可以包括：在步骤2中，是根据设计规范、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确定温控防裂目标和端部自由板衬砌混凝土允许温度应力【σ_max】取值。对于水工衬砌的温控防裂目标可以依据《水工混凝土结构设计规范》、《水工钢筋混凝土结构设计规范》和《水工隧洞设计规范》等确定。端部自由板衬砌混凝土允许温度应力【σ_max】，如果有混凝土试验数据，则取【σ_max】＝混凝土抗拉强度/抗裂安全系数允许值【K】；在没有混凝土试验数据时可采用轴心抗拉强度标准值。

优选地，本发明提供的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，还可以包括：关于端部自由板衬砌混凝土的抗裂安全系数允许值【K】，根据水利水电工程和有关地下工程设计、施工规范关于水工衬砌混凝土温控抗裂的有关规定，水工结构运用特点和工作性能要求，考虑到是施工期温度裂缝控制，参考近20年关于三峡、溪洛渡等10余个大型水利水电工程水工衬砌混凝土施工期温度裂缝控制研究与经验，建议端部自由衬砌板混凝土温控抗裂分级目标与抗裂安全系数允许值【K】如下表1所示：

表1端部自由衬砌板混凝土温控抗裂分级目标与抗裂安全系数允许值【K】

建筑物级别	抗裂级别	控制目标	【K】
				1	1	抗裂	1.6
2、3	2	限裂1	1.3
				4、5	3	限裂2	1.0

优选地，本发明提供的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，还可以具有以下特征：在步骤3-1中，是在不同的温控防裂设计阶段，分析与温控防裂有关的在满足规范要求条件下该阶段可以改变的设计参数；在结构设计阶段，衬砌结构尺寸和混凝土强度等设计参数为主要可变量；在施工阶段，浇筑温度、通水冷却及其水温、冬季封闭洞口保温(提高冬季最低温度)等温控措施为主要可变量。由于冬季封闭洞口保温(提高冬季最低温度)是一种经济有效必须采取的措施，因此所拟定的施工措施方案主要是浇筑温度与通水冷却及其水温的组合。

优选地，本发明提供的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，还可以具有以下特征：在步骤3-2中，当衬砌板混凝土采用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；施工期如采用挂帘保温，使得地下洞室空气温度提高，则T_a和T_min应该采用提高后的洞内空气温度。另外，衬砌混凝土的厚度一般较小，以上通水冷却水管都是单列布置，即公式适用于单列布置通水冷却水管的情况。

此外，本发明所提出的公式1是基于对端部自由衬砌板混凝土结构及其有关参数的深入研究和分析获得。这里以图3所示的乌东德泄洪洞水垫塘端部自由衬砌板及其有关参数为例进行说明：以该端部自由衬砌板及其有关参数为基础，并结合国内类似工程，建立如图4所示的三维模型，对各种可能情况(119个方案)进行有限元法仿真计算。基本参数和计算方案见下表2，各方案底板衬砌混凝土施工期最大温度拉应力σ_max也列于表2。

表2端部自由衬砌板混凝土温度应力计算方案和最大温度拉应力

对于表2所列119个方案端部自由衬砌板混凝土施工期最大温度拉应力σ_max进行分析和深入研究，获得与上述公式1相一致的结果。

发明的作用与效果

本发明所提供的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，计算公式简单，能全面、合理反映端部自由衬砌板的结构尺寸、混凝土强度等级、围岩变形模量、浇筑温度、浇筑施工时环境空气温度、冬季最低温度、是否通水冷却及其水温等主要因素的影响。可以迅速计算出任意时期(季节)浇筑端部自由板结构衬砌混凝土施工期的最大温度拉应力，计算误差小，完全可以用于实际工程进行施工期最大温度拉应力σ_max计算和温控防裂措施方案设计，特别是初步设计和现场施工期实时快速设计计算。基于本方法对施工温控措施进行优化改进，能够非常有效地实现端部自由衬砌板混凝土的温控目标。

附图说明

图1为背景技术中涉及的三板溪水电站泄洪洞衬砌边墙混凝土裂缝情况图；

图2为背景技术中涉及的三峡水利枢纽永久船闸地下输水洞衬砌边墙混凝土裂缝情况图；

图3为本发明涉及的端部自由衬砌板混凝土的结构示意图；

图4为本发明涉及的端部自由衬砌板混凝土的三维有限元模型图；

图5为本发明实施例中涉及的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法的流程图；

图6为本发明实施例中涉及的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法的乌东德水电站坝后水垫塘图；

图7为本发明实施例中涉及的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法的乌东德水电站坝后水垫塘底板/边坡结构图；其中，H＝3m时为水垫塘底板衬砌结构；H＝2.5m时为边坡衬砌结构。

具体实施方式

以下结合附图，以乌东德泄洪洞水垫塘底板和边坡(都属于端部自由衬砌板混凝土)温度应力计算为例，对本发明涉及的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法具体实施方案进行详细地说明。

<乌东德水电站基本资料>

(1)概况

乌东德水电站以发电为主，兼顾防洪、航运和拦沙等作用。电站装机容量10200MW，保证出力3160MW，多年平均发电量389.3亿kW·h。大坝为混凝土双曲拱坝，泄洪采用坝身泄洪为主，岸边泄洪洞为辅的方式。三条泄洪洞均采用有压洞后接门洞型隧洞，由进水口、有压洞段、工作闸门室、无压洞段、出口段、消能水垫塘组成，出口采用挑流消能。

布置在坝后的二道坝与水垫塘一起构成大坝的泄洪消能建筑。其功能主要是挡水后形成大坝坝后深水垫，使泄洪水流落在水垫塘(图6)内达到消能作用，减少泄洪水流对下游河床和两岸边坡的冲刷，保护大坝枢纽工程安全。其中水垫塘底板衬砌为长10m×宽10m×厚3m的方形结构，边坡衬砌为长10m×宽10m×厚2.5m的方形结构，如图7所示。水垫塘底板和边坡衬砌采用低热水泥C₉₀40常态抗冲磨混凝土。水垫塘底板基础岩体为Ⅲ类，边坡基础岩体为Ⅳ类。

(2)地温与气温资料

根据设计资料，水垫塘底板基础岩体多年平均温度取值为：22.2℃。环境温度为：夏季最高温度28℃，冬季最低温度14.0℃。气温的年周期变化过程采用余弦函数计算：

式中：T_a为t时刻的环境气温(℃)，A为多年平均气温(℃)，B为气温年变幅(℃)，C为最高气温距离1月1日的天数。根据实测气温资料和当地气象部门气温资料，环境温度取A＝19.6℃、B＝7.3℃、C＝210d。

(3)混凝土的力学参数

乌东德水电站坝后水垫塘衬砌(底板和边坡)采用低热水泥C₉₀40混凝土，力学性能见表3。

表3乌东德水电站坝后水垫塘衬砌低热水泥混凝土力学参数

混凝土各龄期的弹模拟合公式的函数表达式为：

式中：τ—龄期，天；a、b—公式系数；E₀取1.2E(90d)；E为混凝土的弹性模量。

(4)围岩性能参数

水垫塘基础各类岩体的密度、泊松比、弹模等力学参数见表4。

表4乌东德水电站水垫塘基础岩体分类及物理力学参数

衬砌类型	围岩类别	密度ρ<sub>0</sub>(g/cm<sup>3</sup>)	弹性模量E<sub>0</sub>(GPa)	泊松比μ
					0.8m	Ⅱ	2.750	32	0.22
1.0m	Ⅲ	2.740	20	0.25
					1.5m	Ⅳ	2.730	10	0.35

<实施例一>泄洪洞水垫塘底板衬砌混凝土

水垫塘III类岩体3.0m厚度底板衬砌混凝土，结构如图6和图7所示。以不利情况高温季节7月1日浇筑为例，进行温控防裂措施方案设计。

如图5所示，本实施例所提供的端部自由板衬砌混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法包括以下步骤：

步骤1.收集端部自由板衬砌混凝土温控防裂计算用资料：

衬砌结构设计资料，衬砌结构断面、混凝土强度等级；环境资料，地质条件围岩变形模量、环境气温年变化规律、水温年变化规律等基本资料如上。

步骤2.分析确定端部自由板衬砌混凝土温控防裂目标和允许温度应力【σ_max】取值：

乌东德水电站坝后水垫塘衬砌采用低热水泥C₉₀40混凝土，依据《水工混凝土结构设计规范》、《水工钢筋混凝土结构设计规范》，C₉₀40衬砌混凝土的轴心抗拉强度标准值为2.39MPa。由于本工程混凝土有试验数据，见上文表3。衬砌混凝土施工期的最大拉应力出现在冬季200天以后，而且在浇筑完成3年以后运用，可以取90d龄期抗拉强度计算允许拉应力。根据表3，水垫塘衬砌低热水泥C₉₀40混凝土90d轴拉强度4.3MPa。水垫塘衬砌结构工程属于3级建筑物，衬砌混凝土温控防裂目标根据表1为2级，抗裂安全系数允许值【K】根据表1取1.3。则【σ_max】＝混凝土抗拉强度/抗裂安全系数允许值【K】＝4.3/1.3＝3.31MPa。

步骤3.设计阶段温控防裂措施方案，包括如下子步骤：

步骤3-1.分析可变量，拟定多个端部自由板衬砌混凝土温控防裂施工措施方案；

由于衬砌结构尺寸、混凝土强度等级确定，因此可变量只有浇筑温度和通水冷却水温。以夏季7月1日浇筑为代表进行温控防裂设计。招标文件可以提供出机口14℃制冷商品混凝土，实现浇筑温度18℃。根据施工条件，拟定浇筑温度都为18℃，不通水冷却、通12℃制冷水冷却、通22℃常温水冷却3个温控措施方案。

步骤3-2.计算各方案端部自由板衬砌混凝土施工期最大温度拉应力σ_max

夏季7月1日浇筑，由公式2计算7月1日浇筑期洞内气温T_a＝26.59℃，冬季最低气温T_min＝12.3℃。根据以上资料，H＝3.0m,W＝14.14m，C＝40，E＝20GPa，T₀＝18℃。

将3个拟定温控措施方案(计算T_g分别为0℃、23℃、13℃)和以上参数代入公式1计算得：不通水冷却方案σ_max＝4.06MPa；12℃制冷水通水冷却方案σ_max＝3.25MPa；22℃常温水通水冷却方案σ_max＝3.62MPa。

步骤3-3.在σ_max≤【σ_max】的前提下，依据简单实用经济的原则优选措施方案，供施工应用。上述3个拟定方案中，18℃浇筑+12℃制冷水冷却温控措施方案满足计算σ_max≤【σ_max】＝3.31MPa，按照安全、经济、合理、简单可行原则，选择18℃浇筑+12℃制冷水通水冷却方案为施工温控措施方案。

<实施例二>乌东德水电站坝后水垫塘Ⅳ类岩体边坡2.5m厚度衬砌混凝土温控方案设计

对于乌东德水电站坝后水垫塘Ⅳ类岩体边坡2.5m厚度低热水泥C₉₀40衬砌混凝土，同样以不利情况高温季节7月1日浇筑为例，进行温控防裂措施方案设计。

如图5所示，本实施例所提供的端部自由板衬砌混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法包括以下步骤：

步骤1.收集端部自由板衬砌混凝土温控防裂计算用资料：

基本资料同上。

步骤2.分析确定端部自由板衬砌混凝土温控防裂目标和允许温度应力【σ_max】取值：

乌东德水电站坝后水垫塘衬砌采用低热水泥C₉₀40混凝土，依据《水工混凝土结构设计规范》、《水工钢筋混凝土结构设计规范》，C₉₀40衬砌混凝土的轴心抗拉强度标准值为2.39MPa。由于本工程混凝土有试验数据，见表3。衬砌混凝土施工期的最大拉应力出现在冬季200天以后，而且在浇筑完成3年以后运用，可以取90d龄期抗拉强度计算允许拉应力。根据上文表3，水垫塘衬砌低热水泥C₉₀40混凝土90d轴拉强度4.3MPa。水垫塘衬砌结构工程属于3级建筑物，衬砌混凝土温控防裂目标根据表1为2级，抗裂安全系数允许值【K】根据表1取1.3。则【σ_max】＝混凝土抗拉强度/抗裂安全系数允许值【K】＝4.3/1.3＝3.31MPa。

步骤3.设计阶段温控防裂措施方案，包括如下子步骤：

步骤3-1.分析可变量，拟定多个端部自由板衬砌混凝土温控防裂施工措施方案；

由于衬砌结构尺寸、混凝土强度等级确定，因此可变量只有浇筑温度和通水冷却水温。以夏季7月1日浇筑为代表进行温控防裂设计。招标文件可以提供出机口14℃制冷商品混凝土，实现浇筑温度18℃。根据施工条件，拟定浇筑温度都为18℃，不通水冷却、通12℃制冷水冷却、通22℃常温水冷却3个温控措施方案。

步骤3-2.计算各方案端部自由板衬砌混凝土施工期最大温度拉应力σ_max

夏季7月1日浇筑，由公式2计算7月1日浇筑期洞内气温T_a＝26.59℃，冬季最低气温T_min＝12.3℃。根据以上资料，H＝2.5m，W＝14.14m，C＝40，E＝10GPa，T₀＝18℃。

将3个拟定温控措施方案(计算T_g分别为0℃、23℃、13℃)和以上参数代入公式1计算得：不通水冷却方案σ_max＝3.88MPa；12℃制冷水通水冷却方案σ_max＝3.07MPa；22℃常温水通水冷却方案σ_max＝3.44MPa。

步骤3-3.在σ_max≤【σ_max】的前提下，依据简单实用经济的原则优选措施方案，供施工应用。上述3个拟定方案中，18℃浇筑+12℃制冷水冷却温控措施方案满足计算σ_max≤【σ_max】＝3.31MPa，按照安全、经济、合理、简单可行原则，选择18℃浇筑+12℃制冷水通水冷却冷却方案为施工温控措施方案。

<温控防裂效果>

乌东德水电站坝后水垫塘衬砌(底板和边坡)混凝土，施工单位严格按照上述方案(18℃浇筑+12℃制冷水通水冷却冷却方案)采取温控防裂措施，并加强保湿养护和表面保护，2017年浇筑完成运用至今，没有发生温度裂缝，见图6，说明本发明方法设计温控防裂措施方案是合理的，可以有效实现温控防裂目标，可以推广应用。

综上实例计算分析说明，本发明计算公式简单，能全面、合理反映端部自由板衬砌结构尺寸、混凝土强度等级、围岩性能(变形模量)、浇筑温度、环境空气温度年变化和浇筑期气温、是否通水冷却及其水温等主要因素的影响。可以迅速计算出任意时段(季节)浇筑端部自由板结构衬砌混凝土施工期的最大温度拉应力，计算误差小，完全可以用于实际工程进行温度裂缝控制设计，特别是初步设计和现场施工期实时快速设计。

上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.收集端部自由衬砌板混凝土温控防裂计算用资料；

步骤2.分析确定端部自由衬砌板混凝土温控防裂目标和允许温度应力【σ_max】取值；

步骤3.设计温控防裂措施方案，包括如下子步骤：

步骤3-1.分析可变量，拟定多个端部自由衬砌板混凝土温控防裂施工措施方案；

步骤3-2.计算拟定各温控防裂施工措施方案端部自由衬砌板混凝土施工期最大温度拉应力σ_max：

σ_max＝-0.0363×W+0.0465×C+0.0926×E+0.0156×T₀-0.0024×T_g+0.1870×ΔT-1.7377+0.0072×H×T₀+0.0144×H×E+0.0038×H×T_g-0.0534×H×ΔT-0.1018×H²-0.0019×E²+0.0022×W²-0.3370×1/H-0.0001127×T_g ²-0.0016637×T_g×T₀+0.00266×T₀ ²

上式中：W为端部自由衬砌板对角线长度；C为端部自由衬砌板混凝土按90天龄期设计的强度等级；E为围岩变形模量；T₀为端部自由衬砌板混凝土浇筑温度；ΔT为浇筑时洞内气温与冬季洞内最低气温之差；H为端部自由衬砌板混凝土结构的厚度；T_g＝35-T_w，表示通水和不通水冷却情况的温度效应值，在没有通水冷却的情况下取T_w＝35℃，在通水冷却的情况下T_w为通水温度；

步骤3-3.在σ_max≤【σ_max】的情况下，依据简单实用经济的原则优选措施方案，供施工应用。

2.根据权利要求1所述的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，其特征在于：

其中，在步骤1中，收集的计算用资料包括：包含温控防裂设计与计算成果、端部自由衬砌板混凝土断面尺寸、混凝土强度等级的端部自由衬砌板混凝土结构设计资料，包含地质条件围岩变形模量、隧洞内气温年变化规律、水温年变化规律的环境资料，以及包含混凝土浇筑施工温控措施设计方案、浇筑温度、浇筑施工时洞内空气温度、是否通水冷却及其水温的混凝土浇筑施工资料。

3.根据权利要求1所述的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，其特征在于：

其中，在步骤2中，是根据设计规范、衬砌结构建筑物的级别、运行期裂缝的危害、安全性和防渗性要求确定温控防裂目标和端部自由衬砌板混凝土允许温度应力【σ_max】取值。

4.根据权利要求1或3所述的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，其特征在于：

其中，在步骤2中，端部自由衬砌板混凝土允许温度应力【σ_max】＝混凝土抗拉强度/抗裂安全系数允许值【K】。

5.根据权利要求4所述的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，其特征在于：

其中，端部自由衬砌板混凝土温控防裂目标与抗裂安全系数允许值【K】如下表所示：

建筑物级别 抗裂级别 控制目标 【K】 1 1 抗裂 1.6 2、3 2 限裂1 1.3 4、5 3 限裂2 1.0

上表中抗裂安全系数允许值【K】为经验值。

6.根据权利要求1所述的端部自由衬砌板混凝土温控防裂温度应力控制设计方法，其特征在于：

其中，在步骤3-1中，是在不同的温控防裂设计阶段，分析与温控防裂有关的在满足规范要求条件下该阶段可以改变的设计参数；在结构设计阶段，以衬砌结构尺寸和混凝土强度为主要可变量；在施工阶段，以浇筑温度、通水冷却及水温、冬季封闭洞口保温温控措施为主要可变量。

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