3　新老混凝土结合衬砌方案研究

该大型水库工程在导流洞改建泄洪洞时，保留封堵段之后的导流洞，并在保留的原2.0m厚混凝土衬砌上补浇0.75m厚新混凝土，构成由新老混凝土结合而成的2.75m厚衬砌。利用ANSYS软件对新老混凝土弹性模量比依次为0.5∶1、0.7∶1、1∶1进行计算，并对结合面上的剪应力和边墙内侧的最大拉应力进行分析，确定新老混凝土结合方案的可行性。

3.1　计算模型

取2.75m厚衬砌为计算模型，其中边墙由0.75m厚新混凝土和2.00m厚老混凝土组成。本次计算取新老混凝土内边墙同一高程的两个点作为最大拉应力值代表点，见图6。

3.2　计算结果

3.2.1　不同弹性模量比下结合面剪应力分布

根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[4]，不配置箍筋和弯起钢筋的板类受弯构件，其截面受剪承载力按式（1）和式（2）计算，允许剪应力按式（3） 计算。

式中：Vc为截面受剪承载力，N；ft为新混凝土的抗拉强度，N/m2；b为截面宽度，mm；h0为截面高度，mm，当h0＜800mm时取h0=800mm，当h0＞2000mm时取h0=2000mm；βh为截面高度影响系数；[τ]为允许剪应力。

新混凝土的抗拉强度ft与弹性模量Et的关系为

新混凝土的弹性模量随龄期的变化而变化，这里采用双曲线公式表示新混凝土弹性模量与时间的关系：

式中：τ为龄期，d；E（τ）为混凝土龄期为τ时的强度，GPa；q为计算参数，取3.03；E0为混凝土达到设计龄期28d时的弹性模量，取30GPa。

ANSYS计算得到的结合面上最大剪应力与按规范算得的允许剪应力[τ]比较（见表2）。

由表2可知，当新浇混凝土的龄期小于28d，混凝土结合面上的剪应力始终大于允许剪应力值，不能够实现新老混凝土的良好结合。当新混凝土龄期达到28d、新老混凝土的弹性模量比为1∶1时，结合面上的剪应力为0.94MPa，小于允许剪应力1.7MPa，满足结合强度要求。新老混凝土结合衬砌在新混凝土浇筑28d后能够协调工作、共同受力。

3.2.2　不同弹性模量比下衬砌边墙铅直向应力云图

在荷载和约束不变的条件下，利用ANSYS计算得到新老混凝土弹性模量比值为0.1∶1、0.3∶1、0.5∶1、0.7∶1、1∶1时对应的边墙铅直向应力云图（见图7）（定性反映随着新老混凝土弹性模量比值变化边墙内侧最大应力值变化趋势）。

3.2.3　不同弹性模量比时A点和B点应力变化趋势

混凝土的弹性模量是随着龄期的增加而增加的，采用双曲线公式表示弹性模量与时间的关系。通过计算，得到边墙新老混凝土随龄期变化而变化的应力值（见表3和图8）。

从表3和图8可以看出，新混凝土浇筑完毕后，随着龄期的增加，新老混凝土的弹性模量逐步接近，老混凝土内侧最大应力逐渐减小，新混凝土内侧最大应力不断增大。当两者弹性模量相同时，新混凝土内侧最大拉应力达到0.97MPa，在混凝土允许抗拉强度范围内；此时老混凝土内侧承受压应力，受力安全。荷载作用逐渐从老混凝土向新混凝土过渡，新混凝土逐步承担起承载的作用。当新混凝土的龄期到达28d时，最终实现了新老混凝土的共同受力，且整体结构都在安全受力范围内。