CN110569552B - 端部自由衬砌板混凝土温控防裂拉应力k值控制设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供端部自由衬砌板混凝土温控防裂拉应力K值控制设计方法，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抗裂安全系数允许值【K】；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.将各拟定控防裂施工措施方案带入公式1计算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.计算各方案最大拉应力σ_max发生时的龄期dσ；步骤3‑4.计算各措施方案衬砌板混凝土施工期最小抗裂安全系数K_min；步骤3‑5.在K_min≥【K】的情况下，依据简单实用经济的原则优选措施方案。

Description

端部自由衬砌板混凝土温控防裂拉应力K值控制设计方法

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拉应力K值(安全系数)控制设计方法。

背景技术

裂缝是混凝土的主要病害之一。近些年，水利水电工程建设高速发展，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1和图2)。

贯穿性危害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。

也有一些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。

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。所以温控防裂拉应力计算方法及其结果也会不同，温控防裂措施及其方案设计结果也会不同。

综合以上情况说明，目前衬砌混凝土施工期温控防裂，特别是端部自由衬砌板混凝土，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端部自由衬砌板混凝土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。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种适用于端部自由衬砌板混凝土的温控防裂拉应力K值控制设计方法，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，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拉应力K值控制设计方法，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抗裂安全系数允许值【K】；

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.将各拟定控防裂施工措施方案带入公式1计算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＝-0.0341×W+0.0464×C+0.0927×E+0.1105×T₀-0.0392×T_g+0.0006×T_a+0.1780×ΔT-2.3124-0.0055×H×T₀+0.0145×H×E+0.0057×H×T_g-0.0442×H×ΔT-0.0862×H²-0.0019×E²+0.0021×W²-0.3740×1/H(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(℃)；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(℃)；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为衬砌混凝土浇筑施工时洞内空气温度(℃)，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)；

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，从而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.计算各方案最大拉应力σ_max发生时的龄期dσ(d)；

步骤3-4.根据最大拉应力σ_max及龄期dσ计算各措施方案衬砌板混凝土施工期最小抗裂安全系数K_min；

步骤3-5.在K_min≥【K】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K_min≥【K】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拉应力K值控制设计方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，收集的计算用资料包括：衬砌结构设计资料，特别是温控防裂设计与计算成果、端部自由衬砌板结构尺寸、混凝土强度等级；环境资料，地质条件及其围岩变形模量、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方案、浇筑温度、浇筑施工时洞内空气温度(浇筑月、日)、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拉应力K值控制设计方法，还可以包括：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抗裂安全系数允许值【K】。

优选地，本发明提供的端部自由衬砌板混凝土温控防裂拉应力K值控制设计方法，还可以包括：根据水利水电工程和有关地下工程设计、施工规范关于地下水工衬砌混凝土温控防裂的有关规定，地下水工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地下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防裂分级与抗裂安全系数允许值【K】列于下表1。

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拉应力K值控制设计方法，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，衬砌厚度和混凝土强度为主要可变量；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)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拉应力K值控制设计方法，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。

优选地，本发明提供的端部自由衬砌板混凝土温控防裂拉应力K值控制设计方法，还可以具有以下特征：在步骤3-3中，是将各拟定温控措施方案代入公式2计算获得各方案最大拉应力σ_max发生时的龄期dσ(d)：dσ＝15.0489H-2.7299W-0.5347C+0.4856E-1.91T₀-1.1755T_g-12.1714T_a-2.5904ΔT+647.3153(公式2)。

优选地，本发明提供的端部自由衬砌板混凝土温控防裂拉应力K值控制设计方法，还可以具有以下特征：在步骤3-4中，是将各拟定温控措施方案代入下列公式3计算获得各方案的衬砌混凝土施工期最小防裂安全系数K_min：

K_min＝(E₁×ε₁)/σ_max (公式3)

式中，E₁为衬砌混凝土龄期dσ的弹性模量(MPa)；ε₁为衬砌混凝土龄期dσ的极限拉伸值。

此外，上述步骤2所提出的公式1和步骤3-3所提出的公式2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)进行有限元法仿真计算。基本参数和计算方案见下表2，各方案端部自由衬砌板混凝土施工期最大温度拉应力σ_max和最大拉应力σ_max发生时的龄期dσ也列于表2。

表2端部自由衬砌板混凝土计算方案和最大拉应力及其对应龄期

对于表2的端部自由衬砌板混凝土施工期最大拉应力σ_max及其对应龄期dσ进行统计分析和深入研究，获得与上述公式1、2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拉应力K值控制设计方法，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(浇筑季节)、是否通水冷却及其水温、浇筑时期(日期)等主要因素的影响。可以迅速计算出任意季节浇筑端部自由衬砌板混凝土施工期最大拉应力σ_max及其对应龄期dσ，以及相应的最小抗裂安全系数K_min，计算误差小，完全可以用于实际工程进行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。基于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防裂。

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拉应力K值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拉应力K值控制设计方法的白鹤滩水电站水垫塘图，其中，(a)为白鹤滩水电站水垫塘浇筑完工后整体照片，(b)为白鹤滩水电站水垫塘浇筑过程照片；

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拉应力K值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，以白鹤滩水电站泄洪洞水垫塘底板和边坡衬砌混凝土温控防裂计算实例，对本发明涉及的端部自由衬砌板混凝土温控防裂拉应力K值控制设计方法具体实施方案进行详细地说明。

<白鹤滩水电站基本资料>

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，以发电为主，兼顾防洪，并有拦沙、发展库区航运和改善下游通航条件等综合利用功能，是西电东送骨干电源点之一。枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、二道坝及水垫塘、泄洪洞、引水发电系统等建筑物组成。混凝土双曲拱坝坝顶高程834.0m，最大坝高289.0m，坝身布置有6孔泄洪表孔和7孔泄洪深孔；泄洪洞共3条，均布置在左岸；电站总装机容量16000MW，左、右岸地下厂房各布置8台单机容量1000MW的水轮发电机组。

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12m×宽12m×厚3m的方形结构，边坡衬砌为长12m×宽12m×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。

对温度场和温度应力造成直接影响的环境温度主要是气温和地温，不考虑太阳辐射影响。根据设计院提供的温度资料，，围岩温度取值为：高温季节：25℃；低温季节：23℃。气温的年周期变化过程采用《水工建筑物荷载设计规范》余弦函数：

式中：T_a为t时刻的环境气温；A为多年平均气温，A＝20.5℃；B为气温年变幅，B＝7℃；C为最高气温距离1月1日的天数，C＝210d。

水垫塘的底板和边坡衬砌混凝土的力学参数列于下文表3。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。

表3白鹤滩水电站泄洪洞低热水泥混凝土力学参数

(4)围岩性能参数

水垫塘基础各类岩体的密度、泊松比、弹模等力学参数见下表4。

表4白鹤滩水电站围岩分类及物理力学参数取值

<实施例一>白鹤滩水电站水垫塘底板衬砌混凝土温控防裂措施方案设计

水垫塘底板基础岩体为Ⅲ类，为长12m×宽12m×厚3m的方形结构，如图7所示。以高温季节最不利的7月1日浇筑水垫塘底板混凝土为例，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衬砌板混凝土温控防裂拉应力K值控制设计方法包括以下步骤：

步骤1.收集端部自由衬砌板混凝土温控防裂计算用资料

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、洞内气温年变化规律、水温年变化规律等基本资料。具体资料如上。

步骤2.分析确定温控防裂目标和抗裂安全系数允许值【K】

白鹤滩水电站泄洪洞是一级建筑物，但水垫塘属于3级建筑物，根据上文表1，衬砌混凝土温控防裂目标2级防裂，抗裂安全系数允许值【K】为1.3。

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，拟定多个端部自由衬砌板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，环境温度采用公式4计算。因此可变量只有浇筑温度和通水冷却水温。对于高温季节浇筑混凝土，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个温控方案(T_g计算值分别为0℃、23℃、13℃)。

由公式4计算7月1日浇筑期水垫塘环境气温Ta＝26.59℃，冬季最低气温T_min＝13.5℃。根据以上资料，H＝3.0m，计算W＝16.97m，C＝40，E＝15GPa，T₀＝18℃。

步骤3-2.将各拟定温控措施方案代入公式1计算施工期最大拉应力σ_max：

对于拟定浇筑温度都为18℃，不通水冷却、通12℃制冷水冷却、通22℃常温水冷却3个温控方案(T_g计算值分别为0℃、23℃、13℃)，将以上参数代入公式1计算得σ_max列于表5。

表5底板衬砌温控防裂措施方案设计计算

步骤3-3.计算各方案σ_max发生时的龄期dσ：

对于拟定浇筑温度都为18℃，不通水冷却、通12℃制冷水冷却、通22℃常温水冷却3个温控方案(Tg计算值分别为0℃、23℃、13℃)，将以上参数代入公式2计算得dσ列于表5。

步骤3-4.计算各方案衬砌混凝土施工期最小抗裂安全系数K_min：

首先将σ_max发生时的龄期dσ代入公式5计算E₁，衬砌混凝土龄期dσ的变形模量E₁列于表5；再由表3推算σ_max发生时的龄期dσ混凝土的极限拉伸值ε₁，列于表5。最后将以上参数代入公式3计算得K_min列于表5。

步骤3-5.在K_min≥【K】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。根据表5的结果，3个方案的防裂安全系数都大于1.3，满足要求。考虑到18℃浇筑不通水冷却最经济简单，推荐施工采用。

<实施例二>水垫塘边坡衬砌混凝土温控防裂措施方案设计

水垫塘边坡基础岩体为IV类，为长12m×宽12m×厚2.5m的方形结构，如图7所示。以高温季节最不利的7月1日浇筑水垫塘边坡混凝土为例，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衬砌板混凝土温控防裂拉应力K值控制设计方法包括以下步骤：

步骤1.收集端部自由衬砌板混凝土温控防裂计算用资料

具体基本资料如上。

步骤2.分析确定温控防裂目标和抗裂安全系数允许值【K】

白鹤滩水电站泄洪洞是一级建筑物，但水垫塘边坡属于3级建筑物，根据上文表1，衬砌混凝土温控防裂目标2级防裂，抗裂安全系数允许值【K】为1.3。

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，拟定多个端部自由衬砌板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，环境温度采用公式4计算。因此可变量只有浇筑温度和通水冷却水温。对于高温季节浇筑混凝土，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个温控方案(T_g计算值分别为0℃、23℃、13℃)。

由公式4计算7月1日浇筑期水垫塘环境气温T_a＝26.59℃，冬季最低气温T_min＝13.5℃。根据以上资料，H＝2.5m，计算W＝16.97m，C＝40，E＝9GPa，T₀＝18℃。

步骤3-2.将各拟定温控措施方案代入公式1计算施工期最大拉应力σ_max：

对于拟定浇筑温度都为18℃，不通水冷却、通12℃制冷水冷却、通22℃常温水冷却3个温控方案(T_g计算值分别为0℃、23℃、13℃)，将以上参数代入公式1计算得σ_max列于下表6。

表6边坡衬砌温控防裂措施方案设计计算

步骤3-3.计算各方案σ_max发生时的龄期dσ：

对于拟定浇筑温度都为18℃，不通水冷却、通12℃制冷水冷却、通22℃常温水冷却3个温控方案(Tg计算值分别为0℃、23℃、13℃)，将以上参数代入公式2计算得dσ列于表6。

步骤3-4.计算各方案衬砌混凝土施工期最小抗裂安全系数K_min：

首先将σ_max发生时的龄期dσ代入公式(5)计算E₁，衬砌混凝土龄期dσ的变形模量E₁(MPa)列于表6；再由表3推算σ_max发生时的龄期dσ混凝土的极限拉伸值ε₁，列于表6。最后将以上参数代入公式3计算得K_min列于表6。

步骤3-5.在K_min≥【K】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。根据表6的结果，3个方案的防裂安全系数都大于1.3，满足要求。考虑到18℃浇筑不通水冷却最经济简单，推荐施工采用。

<温控防裂效果>

白鹤滩水电站泄洪洞水垫塘衬砌(底板和边坡)混凝土，根据上述设计推荐了优化的18℃浇筑不通水冷却经济简单的温控措施方案供施工采用。施工单位严格按照上述方案(18℃浇筑不通水冷却冷却方案)采取温控防裂措施，并加强保湿养护和表面保护，2018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浇筑端部自由衬砌板混凝土施工期的最大拉应力和最小抗裂安全系数，以此进行端部自由衬砌板混凝土温控防裂方案设计，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计算，特别是初步设计和现场施工期实时快速设计计算。

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拉应力K值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 (7)

1.一种端部自由衬砌板混凝土温控防裂拉应力K值控制设计方法，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抗裂安全系数允许值【K】；

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.将各拟定控防裂施工措施方案带入下列公式中计算端部自由衬砌板混凝土施工期最大温度拉应力σ_max：

σ_max＝-0.0341×W+0.0464×C+0.0927×E+0.1105×T₀-0.0392×T_g+0.0006×

T_a+0.1780×ΔT-2.3124-0.0055×H×T₀+0.0145×H×E+0.0057×H×T_g-0.0442×H×ΔT-0.0862×H²-0.0019×E²+0.0021×W²-0.3740×1/H

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；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；T_a为衬砌混凝土浇筑施工时洞内空气温度；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；

步骤3-3.计算各方案最大拉应力σ_max发生时的龄期dσ；

步骤3-4.根据最大拉应力σ_max及龄期dσ计算各措施方案衬砌板混凝土施工期最小抗裂安全系数K_min；

步骤3-5.在K_min≥【K】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拉应力K值控制设计方法，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、端部自由衬砌板结构尺寸、混凝土强度等级的端部自由衬砌板混凝土结构设计资料，包含地质条件及其围岩变形模量、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拉应力K值控制设计方法，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抗裂安全系数允许值【K】。

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拉应力K值控制设计方法，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。

5.根据权利要求1所述的端部自由衬砌板混凝土温控防裂拉应力K值控制设计方法，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，衬砌结构尺寸和混凝土强度为可变量；在施工阶段，浇筑温度、通水冷却及水温、冬季封闭洞口保温为可变量。

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拉应力K值控制设计方法，其特征在于：

其中，在步骤3-3中，是将各拟定温控防裂施工措施方案代入下列公式中计算获得各方案最大拉应力σ_max发生时的龄期dσ：

dσ＝15.0489H-2.7299W-0.5347C+0.4856E-1.91T₀-1.1755T_g-12.1714T_a-2.5904ΔT+647.3153。

7.根据权利要求1所述的端部自由衬砌板混凝土温控防裂拉应力K值控制设计方法，其特征在于：

其中，在步骤3-4中，是将各拟定温控措施方案代入下列公式中计算获得各方案的衬砌混凝土施工期最小防裂安全系数K_min：

K_min＝(E₁×ε₁)/σ_max

式中：E₁为衬砌混凝土龄期dσ的弹性模量；ε₁为衬砌混凝土龄期dσ的极限拉伸值。