杨俊敬，康立荣，朱庆华

(江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225009)

0 引言

水闸、泵站和船闸为常见水工建筑物，其墩墙底部在温度应力及底板约束应力作用下，易出现贯穿性裂缝。特别在施工中广泛采用泵送混凝土施工工艺后，防裂问题变得更加棘手和突出［1－2］。目前，有关混凝土抗裂的研究和措施相当多，但普遍着重于施工工艺方面［3－5］，比如混凝土的施工配合比、施工分层方法等。施工中虽然采取了一些抗裂措施，墩墙仍出现一定数量的贯穿性裂缝，一些墩墙的配筋率虽然达到甚至超过了规范的要求，还仍有裂缝发生［6－8］，说明仅靠优化施工工艺和适当增加配筋率并不能控制墩墙裂缝，必须对抗裂设计构造采取有效措施，才能避免有害裂缝的出现，从而确保工程质量。

借鉴工业与民用建筑设计中的暗梁布置理念［9－11］，结合南水北调某工程船闸、节制闸的设计与施工建设，提出了墩墙配置暗梁抗裂的设计方案，对墩墙抗裂设计的必要性、抗裂暗梁设计方法进行了探讨，工程实施效果表明，该设计方法效果良好。

1 墩墙温度应力计算

墩墙裂缝的成因，主要是混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，引起墩墙内、外产生较大温差，由于受到基础或老混凝土的约束，混凝土内部出现较大的拉应力，当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。水利或水运钢筋混凝土设计规范虽然允许结构按所处环境条件存在一定宽度的裂缝，但在施工中应尽量采取有效措施来控制裂缝产生，使结构尽可能不出现裂缝或尽量减少裂缝的数量和宽度，尤其要尽量避免有害裂缝的出现，从而确保工程质量。

在目前水利与水运钢筋混凝土结构设计规范中，分别编制了混凝土温度应力计算方法，2种规范的规定要求不完全一致。现以南水北调某工程船闸导航墙为实例进行计算，该节墩墙长22.0 m，高10.0 m，厚0.7 m，混凝土强度等级为C25，水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，混凝土水泥用量为271 kg/m3。根据工程经验，计算部位取距底板1/5墙高，该部位容易出现裂缝。

1.1 水运规范计算方法

根据JTJ 252—1987《干船坞设计规范(水工结构)》［12］，浇筑于下层混凝土块体上的被约束混凝土块体，可按下式近似计算其x向中断面较大约束应力部位的约束应力

式中:α为混凝土线膨胀系数，α=1×10－5;μ为泊松比，μ=1/6;i为下层混凝土块体平均温度变化值;Δtx为被约束混凝土块在所求点高度处的平均温度变化值;E为弹性模量;R为约束系数。

按一定龄期内混凝土水化热绝热温升的平均值计算

式中:th为水化热绝热温升，℃;W为混凝土中的水泥用量，W=271 kg/m3;Q0是水泥最终发热量，对于P.O 42.5水泥，3d龄期Q0=256kJ/kg，7d龄期Q0=299kJ/kg;ch为混凝土的比热容，ch=960J/(kg·K);ρ为混凝土质量密度，取2350kg/m3。

约束系数

式中:R'为形位参数;A0，E0分别为下部混凝土块体的截面积和弹性模量;A，E为被约束块体的截面积和弹性模量。E可根据龄期计算

式中:EC(28)为混凝土28 d弹性模量，强度等级为C28的混凝土弹性模量，EC(28)=2.8×104MPa;t为浇筑后的时间，d。

式(3)中的R'根据被约束块体的长高比和计算部位的相对高度进行确定，查JTJ 252—1987《干船坞设计规范(水工结构)》，查得R'=0.65。

混凝土温度应力应满足下式规定

式中:Kf为安全系数，取Kf=1.4。混凝土在龄期t时的抗裂设计强度Rf(t)估算

式中:ΔR为常数，对于强度等级C25的混凝土，取ΔR=0。

1.2 水利规范计算方法

SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》［13］规定，大体积混凝土结构在温度作用下的抗裂验算应满足以下要求:

式中:σ*(t)为计算时刻t时的温度应力;t为计算时刻的混凝土龄期;εε(t)为计算时刻t时的混凝土允许拉力应变;εε(28)为28 d龄期混凝土的拉应变，对强度等级为C25的混凝土取0.6×10－4;Ec(t)为计算时刻t时的混凝土弹性模量，按式(4)计算。

1.3 计算结果分析

3d，7d龄期下墩墙混凝土的温度约束应力计算结果见表1，计算结果表明，浇筑初期的墩墙混凝土温度应力大于水运或水利规范允许抗裂应力，在拆模之前墩墙内部混凝土就可能产生贯穿性裂缝，在工程设计时，应考虑有效措施控制贯穿性裂缝产生。

2 抗裂暗梁设计

近年来已有一些工程尝试在易产生裂缝的墩墙部位设置抗裂暗梁，用以控制温度应力产生的裂缝［14－15］。钢筋与混凝土的黏结作用按28 d龄期强度进行计算，而混凝土初期强度不断变化，暗梁的作用机制目前尚无成熟的计算公式，抗裂暗梁配置也无规范或规程要求，水工设计中的应用尚不多见。

南水北调工程某水闸、船闸墩墙均按常规设计，尽管采取了一系列抗裂施工工艺措施，但第1阶段施工的船闸闸室墙和部分翼墙、导航墙，墩墙仍然出现了少量贯穿性裂缝，裂缝一般出现在距底板1/5墙高位置，说明由温度应力引起的裂缝仅靠施工措施是很难避免的，还应从设计上采取措施。鉴于此，对第2阶段施工的其他建筑物，在加强抗裂施工措施的同时，增加了墩墙抗裂暗梁设计。

根据墩墙温度应力计算结果和对第1阶段的施工总结，在距底板1/5墙高结合立模对销螺栓布置暗梁，暗梁构造参考其他工程经验，依墩墙厚度配置4根或6根钢筋，分上、下2层，布置在墩墙中间1/2墙厚范围。该工程典型墩墙抗裂暗梁的设计主要有:

(1)船闸导航墙和节制闸翼墙，长度15～25 m，高度10 m，厚度60 cm，在距底板2 m高的墩墙中心配置4根ø 22 mm钢筋，钢筋水平间距30 cm，竖向间距60 cm。

(2)节制闸中墩，长度20m，高度10m，厚度130 cm，在距底板2 m高的墩墙中心配置6根ø 22 mm钢筋，钢筋水平间距2行35 cm，竖向间距60 cm。

(3)节制闸缝墩，长度20 m，高度10 m，厚度90 cm，在距底板2 m高的墩墙中心配置6根ø 22 mm钢筋，钢筋水平间距2行25 cm，竖向间距60 cm。

3 暗梁抗裂效果分析

表1 各龄期下墩墙混凝土的温度约束应力计算结果

该工程主体建筑物施工结束后，不同构造、不同季节浇筑的墩墙裂缝情况的统计分析结果见表2。

从表2可以看出，即便是在气温适中的春、秋季浇筑墩墙，通过单一的施工工艺措施也难以完全控制裂缝的产生。墩墙采用抗裂暗梁后，无论是在什么季节浇筑，抗裂效果都比较明显，说明抗裂暗梁达到了预期的设计效果，墩墙抗裂暗梁布置与构造设计比较合适。

表2 南水北调某工程墩墙暗梁抗裂效果对比

4 结论

墩墙与底板混凝土浇筑存在一定的施工间隔，在混凝土初期，墩墙与底板混凝土弹性模量不一致，底板对浇筑初期的墩墙存在约束作用。墩墙温度应力计算和现场观测结果表明，墩墙内部混凝土初期温度应力会超过允许应力，存在从内部产生裂缝的可能，仅靠单一的施工工艺措施难以避免墩墙出现裂缝。合理配置墩墙抗裂暗梁，可有效控制混凝土裂缝尤其是贯穿性裂缝的发生，是一种作用比较明显的抗裂设计措施。暗梁宜在距底板1/5墙高左右结合立模对销螺栓进行布置，依墩墙厚度配置4根或6根钢筋，分上、下2层，布置在墩墙中间1/2厚度范围内。

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