泵站施工期温控防裂敏感性分析研究
摘要：
以化子闸泵站工程为例,考虑冷却水温度、通水流量、水管间距、混凝土浇筑温度、保温层厚度以及后浇带宽度等因素,利用三维有限元计算程序,对泵站施工期的混凝土温度与应力进行数值模拟。结果表明,改变水管间距对混凝土冷却效果的影响较为明显;设置后浇带对温度应力有较大的释放;水管通水水温、混凝土浇筑温度与产生的拉应力呈现线性增长。水管通水流量超过一定值时泵站冷却效果不佳。保温措施能有效避免低温季节浇筑早期产生的表面裂缝。同时,选取优化温控方案对化子闸泵站施工期温度、应力场进行了仿真分析。结果表明:温控措施优选合理,泵站内外温差、早期表面拉应力及后期内部拉应力均处于安全可靠范围,可为泵站工程安全运行提供参考依据。
关键词：
泵站工程; 温控防裂; 敏感性分析; 通水冷却; 有限元计算;
江敏敏(1989—),男,博士研究生,研究方向为大体积混凝土温控防裂。E-mail:1260609551@qq.cn;
蔡新(1964—),男,教授,博士研究生导师,博士,主要从事水工结构现代设计理论与方法应用研究。
E-mail:xcai@hhu.edu.cn;
基金：
江苏省水利科技项目(2015566369);
引用：
江敏敏，蔡新，郭兴文，等． 泵站施工期温控防裂敏感性分析研究［J］. 水利水电技术，2020，51(2): 105-112.
JIANG min min，CAI Xin，GUO Xingwen，et al． Analysis and study on sensitivities of temperature control and cracking prevention during construction of pumping station［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51(2): 105-112.
0 引 言
泵站工程广泛应用于农业灌排、工业生产、城镇建设、跨流域调水等领域。泵站底板、墩墙等结构一般属于大体积混凝土范畴,浇筑初期由于水泥水化的作用,混凝土的温度会不断升高,因混凝土各部位结构形状及尺寸不同,导致散热能力差异,引起混凝土内部的温度分布不均匀,造成流道渐变段等特殊部位容易出现裂缝。另一方面,降温阶段泵站混凝土的收缩变形因受基础或底板的约束而产生拉应力,温度降幅越大,约束作用越强,产生的拉应力值越大。泵站结构长度方向的尺寸远大于厚度方向且直接浇筑在底板上,结构整体收缩表现的拉应力都比较大,出现内部裂缝则容易发展成贯穿性裂缝。因此,如何有效地避免墩墙产生裂缝是科研及工程技术人员都极为关注的问题。
对于防止泵站开裂的温控方案较多,乜树强介绍了泵站混凝土结构温控防裂方法,建议了合理的施工分层、延迟拆模、模板表面保温力度、改变浇筑层厚、设置流道肘部砌石体、水管冷却方法、寒潮和昼夜温差冷击防御等具体工程措施与方法,充分分析了它们对泵站典型混凝土结构温度和应力的影响。陈守开等阐述了泵站裂缝成因,提出了相应的防止措施,得出早期内外温差和外部约束是产生表面裂缝的主要原因。采用了表面保温、水管冷却及设置砌体等方法来防止墩墙混凝土产生温度裂缝。朱丽娟等针对某节制闸提出了合理安排施工顺序、优化混凝土配合比、控制入仓温度、掺入聚丙烯腈纤维、增设温度钢筋、设置膨胀加强带等温控措施,消灭了结构的温度裂缝,效果良好。陆银军在分析进水流道的易裂部位和开裂机理的基础上,提出有效防裂措施,包括控制浇筑温度在28 ℃以内,同时采用塑料管冷却及拆模后的表面保温措施。
1 仿真计算方法
1.1 非稳定温度场计算
在混凝土计算域V内任何一点处,不稳定温度场T(x,y,z,t)必须满足热传导控制方程
式中,T为混凝土温度;α为导温系数;θ为绝热温升;t为时间;τ为龄期。
1.2 应力场计算
混凝土在复杂应力状态下应变增量包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、自生体积应变增量和干缩应变增量,因此,某时刻的总应变增量可表示为
式中,{Δεenne}为弹性应变增量;{Δεcnnc}为徐变应变增量;{ΔεTnnΤ}为温度应变增量;{Δε0nn0}为自生体积变形增量;{Δεsnns}为干缩应变增量。
2 泵站温控参数敏感性分析
2.1 有限元模型
计算采用位于宁波市镇海区与江北区交界处灵山村的化子闸泵站工程,为姚江分洪3级接力泵站的中间一级泵站,Ⅱ等工程,主要建筑物级别为2级,次要建筑物为3级,临时建筑物为4级,防洪标准按50 a一遇设计,200 a一遇校核。规划设计排涝总流量为150 m3/s,设置4台单个流量为37.5 m3/s的竖井贯流泵。
泵站泵房结构段三个方向主要特征尺寸如下:垂直水流方向,泵房总宽度为45.2 m,上游进水口流道净宽为9.0 m,中间采用厚1.0 m的导流墩分隔;下游侧出水口流道净宽为8.0 m,中间采用厚1.1 m的导流墩分隔。顺水流方向,泵房总长度为47.4 m,上游侧进水流道长度为18.90 m(包含电机井),下游侧出水流道长度为24.0 m。高度方向,本泵站为单向排涝泵站,上游侧进水流道底面高程为-6.00 m,下游侧出水流的底板面高程为-5.70 m,站身底板厚2.30～3.98 m,厂房工作间顶面高程为3.60 m。
有限元模型整体坐标系如下:顺水流方向为X方向,指向下游为正,起点位于底板上游边界距离30 m处;竖直方向为Y方向,向上为正,采用高程表述;横河向为Z方向,指向右岸为正,起点位于右岸边墙30 m处。根据上述研究对象建立有限元模型,地基和上部混凝土结构的网格划分模型如图1和图2所示,单元总数为358192个,节点总数为269441个。本次计算选取的关键点除考虑表面保温措施时坐标为X=33.6 m,Y=-2.2 m,Z=-11.2 m(中蹲中心位置靠近顶面点),考虑表面保温措施时选取的关键点坐标为X=33.6 m,Y=-11.6 m,Z=-10.6 m(中蹲边缘流道壁面),如图3所示。
图1 整体网格剖分
图2 混凝土结构网格剖分
图3 混凝土结构网格剖分
温度场计算时,假定计算域内地基的底面及四周为绝热边界,泵站结构外表面均为第三类散热边界条件。应力计算时,地基在上部结构自重作用下的附加变形通过在上下游方向设、左右岸方向设置固定约束;泵站竖直方向地基向下延伸到桩基承载面弱风化基岩面,底部采用固定约束。
2.2 计算参数
宁波当地多年平均气温16.3 ℃,最热的7月28.0 ℃,最冷的1月4.7 ℃,流域多年平均风速3.8 m/s,最大风速17.0 m/s(相应风向NNE)。为了方便计算,将年月平均气温拟合为余弦曲线
式中,τ为时间变量。
计算中,混凝土采用C30混凝土,配比如表1所列。
混凝土的导热系数λ、比热c与热膨胀系数α,可以根据混凝土组成成分的重量百分比,由表1所列组成成分以及各组分的导热系数λi、比热ci及热膨胀系数αi,按加权平均方法计算得到,地基和混凝土热学参数结果如表2所列。
混凝土弹性模型根据现场试验得出随时间变化的曲线公式
表1 泵站混凝土配合比
表2 混凝土热学性能参数
抗拉强度随时间变化的曲线公式
绝热温升θ随时间变化的曲线公式
2.3 敏感性分析
2.3.1 水管间距
图4为不同水管间距时关键点温度、应力历程曲线,由图4可以看出,随着水管间距的减小,冷却效果提升,且间距越小效果越明显。关键点最高温度值由42.5 ℃下降到33.5 ℃,水管间距越小泵站混凝土温度下降越快,由第8天提前到第6天。当水管间距相对较低时,混凝土在温度下降时速率较大,达到2.34 ℃/d,温度下降过快会造成混凝土局部拉应力过大。如图4应力历程曲线图看出, 在水管间距为1.0 m×1.0 m时,由于混凝土温度下降过快,在温度下降前期过程中出现较大拉应力,在水管间距较小的情况下适当缩减通水冷却时间。随着水管间距的减少,后期拉应力逐渐较小,由0.83 MPa下降到0.62 MPa,且随着间距的减少,下降越明显,可以看出水管间距对冷却效果明显。
2.3.2 水管通水流量
图5不同通水流量时关键点温度、应力历程曲线,由图5可知,随着通水流量的加大,最高温度
图4 不同水管间距时关键点温度、应力历程曲线
图5 不同通水流量时关键点温度、应力历程曲线
从37.9 ℃下降到35.9 ℃,冷却效果提升。通水流量从1 m3/h到2 m3/h的过程中温度下降较快,但是通水流量从2 m3/h到3 m3/h的过程冷却效果下降,达到3 m3/h时冷却效果不明显。由图5可知,增大流量可以减小后期拉应力,但随着流量增大效果下降。
2.3.3 水管通水水温
图6为不同水管水温时关键点温度、应力历程曲线,由图6可知,通水水温对混凝土冷却效果呈现一个近似线性变化,温度越低,冷却效果越明显,后期拉应力也呈现均匀的变化趋势。混凝土通水水温一般比混凝土浇筑温度低0～5 ℃范围,对于高温浇筑情况,可以适当降低通水水温,但要避免造成冷却水温和周边混凝土温差过大产生较大拉应力。
2.3.4 混凝土浇筑温度
图7为不同水管间距时关键点温度、应力历程曲线,由图7可知,混凝土浇筑温度从7 ℃上升到15 ℃时,混凝土最高温度从从33.1 ℃上升到40.0 ℃,可见随着浇筑温度的提升混凝土最高温度不断的增大;混凝土浇筑温度对温度应力影响较大,从0.47 MPa上升到0.93 MPa,主要是由于浇筑温度和实际仿真计算中选取的水温以及外界温度相差较大造成拉应力,所以在工程施工中,混凝土浇筑不宜不可过高,在高温季节浇筑要进行骨料预冷。
2.3.5 保温层厚度
图8为不同水管间距时关键点温度、应力历程曲线,由图8可知,泵站表面温度受保温覆盖影响较大,从不考虑保温措施到考虑2 cm厚的黑心棉毡膜时,最高温度从23.8 ℃下降到12.0摄氏度。在不考虑表面保温措施时,表面温度在浇筑前期升温1 ℃就下降,后期几乎随着气温的变化而变化,考虑2 cm厚的黑心棉毡膜保温措施下表面温度升9 ℃后开始下降;不考虑表面保温措施时温度应力最大值达到1.60 MPa,存在表面开裂的风险。考虑2 cm厚的黑心棉毡膜时,温度应力下降了1.00 MPa。表面保温厚度的增加使早期防裂效果明显,在工程施工中要做好表面保温措施。
2.3.6 后浇带宽度
图9为不同水管间距时关键点温度、应力历程曲线,由图9可知,是否考虑后浇带对温度场几乎没有影响,但是对于温度应力有较大的影响,温度应力从不考虑后浇带到考虑后浇带下降了0.35 MPa,但是后浇带宽度从0.8 m增大到1.0 m时后期应力几乎没变化。对于大面积的泵站混凝土浇筑,可以采取后浇带措施减少温度应力,后浇带的宽度可以按照设计确定。
图6 不同水管水温时关键点温度、应力历程曲线
图7 不同水管间距时关键点温度、应力历程曲线
图8 不同水管间距时关键点温度、应力历程曲线
图9 不同水管间距时关键点温度、应力历程曲线
3 仿真计算分析
从温度云图可以看出,由于泵站中蹲在靠近基坑区域厚道超过3 m,混凝土水化热产生大量热量,在该区域3 d时温度达到43 ℃,随着墩墙流道壁及表面与大气接触的散热,40 d最高温度温度为30 ℃,高温区域集中在墩墙靠近基坑部位,由于墩墙是在底板浇筑完成40 d开始浇筑,在墩墙与底板接触处形成较为明显的温度梯度,底板下部受墩墙浇筑温度倒灌不明显。从应力分布云图可以看出,泵站表面从初期的拉应力转化成后期的压应力,内部结构由初期的压应力变成后期的拉应力。在混凝土浇筑早期,由于混凝土表面与外界气温形成较大温差,内部混凝土膨胀大于外部混凝土,混凝土表面相对收缩,且受到内部混凝土约束,故混凝土表面产生0.6 MPa左右的拉应力,主要位于泵站混凝土顶面以及基坑区域表面。后期泵站混凝土表面最大拉应力在0.2 MPa左右,内部最大拉应力在1.0 MPa左右,属于抗拉强度范围以内。由于墩墙内部混凝土在后期降温过程中会发生收缩,此时距离底板浇筑完毕时间40 d,底板混凝土基本发育完全而新浇混凝土弹性模量较小,收缩变形不一致,墩墙靠近底板上部的混凝土会产生约束,在新老混凝土接触区域产生0.6 MPa左右拉应力,施工过程中要注意新老混凝土接触面的处理。
图10 不同浇筑时间截面温度分布(单位:℃)
图11 不同浇筑时间截面温度-应力分布(单位:MPa)
综上所述,根据泵站混凝土结构受相关温控参数影响的敏感性敏感性大小,在考虑后浇带措施、适当表面保温和合理内部降温措施下,表面和内部应力分布在合理的范围内,可以有效防止早期和后期裂缝的产生。
4 结 论
(1)水管间距对于混凝土冷却效果较为明显,且随着水管间距的减小,影响趋势呈非线性增长。在水管间距较小的情况下由于温度下降过快会造成较大拉应力,所以在水管间距较小的情况下适当减少通水时间。
(2)通水流量的改变对泵站温控效果相较于水管间距较小,随着通水流量的增大,通水冷却效果不明显,温度应力下降也较小。在实际工程施工中可以根据现场情况微调通水流量,但不建议过大。
(3)水管通水水温、混凝土浇筑温度对温控效果呈现线性影响。随着通水水温、浇筑温度的提高,温度应力也相应增加。在实际工程施工中严格根据实际情况严格控制好通水水温和浇筑温度,以确保混凝土结构安全可靠。
(4)在大体积泵站混凝土浇筑时建议设置后浇带,能有效释放泵站结构温度应力。同时要做好混凝土表面保温措施,保温措施能有效降低表面开裂风险。
水利水电技术
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