樊口二站流道底板混凝土 不同澆筑方案的溫控仿真分析

朱瀟梟，王海波，方朝陽，常耀峰，石裕友

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430070； 3.長江武漢航道局，武漢 430000；4.湖北大禹水利水電建設(shè)有限責(zé)任公司，武漢 430000)

2016年汛后，湖北省省委、省政府啟動(dòng)“排澇能力提升”泵站工程，計(jì)劃用3 a時(shí)間建設(shè)12處大型排澇泵站，外排能力提升1倍，列入了災(zāi)后重建補(bǔ)短板5大工程之一，寫入了省政府2017年工作報(bào)告[1]。其中樊口二站為Ⅱ等工程，泵站規(guī)模為大(2)型，被作為科研典型對(duì)象之一。泵站流道的裂縫防控對(duì)泵站的安全和性能有著至關(guān)重要的作用，其中溫度裂縫是科研的重點(diǎn)。大量研究和實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)表明，溫度裂縫多出現(xiàn)于混凝土表面，表面啟裂后逐步擴(kuò)展，易產(chǎn)生貫穿性裂縫，影響泵站的運(yùn)行安全和使用壽命[2-5]。溫度裂縫產(chǎn)生的主要原因在于內(nèi)外溫差、混凝土溫降速率以及約束作用[5-7]。防止溫度裂縫產(chǎn)生的辦法是多方面的[3-12]，有草墊保溫、布置冷卻水管、改良混凝土配合比、進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施。本文以樊口二站流道底板為例，基于有限元分析原理，使用ANSYS對(duì)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比分析不同澆筑方案，探求更安全可靠的溫控方案。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)與氣候條件

樊口二站位于長江Ⅰ級(jí)階地，站址處為薛家溝入江附近。站址地層主要為第四系松散堆積物，主泵房區(qū)地基為黏性土層，厚度達(dá)28 m，開挖至建基面高程2.2 m處仍有17 m厚的弱滲透性壤土層。

1.2 底板概況

樊口二站為堤身式布置方案，裝設(shè)5臺(tái)立式全調(diào)節(jié)混流泵，2號(hào)和3號(hào)機(jī)組間設(shè)有結(jié)構(gòu)分縫，本次研究選取了3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)機(jī)組的流道底板進(jìn)行建模分析。底板模型示意圖如圖1所示，順?biāo)鞣较蜷L25.7 m，垂直水流方向?yàn)?8.3 m，厚度上最大突變?yōu)?.5 m，位于出水側(cè)。底板上方為進(jìn)水流道澆筑層，其邊墩混凝土寬1.5 m，分水墩和中墩均為1.2 m。主泵房下布設(shè)有224根直徑1.25 m的灌注樁，按照矩形布置，間距為3 m，在仿真計(jì)算中按面積等效為1.1 m×1.1 m的矩形灌注樁。該泵站混凝土為C25泵送商品混凝土。

圖1 底板模型示意圖Fig.1 Ledger wall model diagram

2 底板混凝土溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)分析

2.1 原施工澆筑方案溫控措施

根據(jù)施工分層安排，1月初底板整體一次性澆筑，澆筑溫度為22 ℃，不采取通水冷卻措施，混凝土表面采取單層保溫被保溫，放熱系數(shù)取7.2 kJ/(m2·h·℃)。

2.1.1 仿真參數(shù)與計(jì)算方案

底板混凝土力學(xué)和熱學(xué)參數(shù)見表1和表2。

表1 混凝土力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of concrete

表2 混凝土熱學(xué)性能參數(shù)Tab.2 Thermal performance parameters of concrete

底板ANSYS有限元模型網(wǎng)格圖如圖2所示。根據(jù)多個(gè)方案的仿真計(jì)算分析，由于結(jié)構(gòu)尺寸突變較大，在圖示斷面易產(chǎn)生溫度裂縫，其中以邊墩附近最為危險(xiǎn)，故下面主要對(duì)邊墩位置的3個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)的分析，特征點(diǎn)位置如圖2所示。在仿真計(jì)算中，環(huán)境溫度按照多年月平均氣溫進(jìn)行擬合。

圖2 底板有限元模型網(wǎng)格Fig.2 Ledger wall finite element model

2.1.2 溫度應(yīng)力場(chǎng)分析

圖3是原澆筑方案計(jì)算得到的特征點(diǎn)的溫度歷時(shí)曲線。觀察圖3，可以看到1號(hào)特征點(diǎn)與3號(hào)特征點(diǎn)的最高溫度基本相同，2號(hào)特征點(diǎn)由于位于中部，最高溫度最高。從溫降速率分析，1號(hào)特征點(diǎn)和2號(hào)特征點(diǎn)相近，3號(hào)特征點(diǎn)溫降最為緩慢。

圖4為原澆筑方案下特征點(diǎn)的溫度應(yīng)力歷時(shí)曲線。1號(hào)特征點(diǎn)和3號(hào)特征點(diǎn)在澆筑前期變化趨勢(shì)基本一致，先產(chǎn)生較小壓應(yīng)力后很快表現(xiàn)為拉應(yīng)力，這是因?yàn)闈仓捌跍囟壬撸?號(hào)特征點(diǎn)受到混凝土之間的約束，3號(hào)特征點(diǎn)受到地基和混凝土間的約束，產(chǎn)生了一定的壓應(yīng)力，之后隨著溫度的下降，混凝土收縮變形，逐漸由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。由于1號(hào)特征點(diǎn)位于表面，溫度梯度較大，在混凝土內(nèi)部約束作用下，該位置產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。2號(hào)特征點(diǎn)位于中部，溫升最高，受到周圍混凝土的約束在前期產(chǎn)生相對(duì)較大的壓應(yīng)力，后隨著混凝土溫度的下降逐步發(fā)展為拉應(yīng)力。3號(hào)特征點(diǎn)溫度下降最緩慢，主要受到來自地基的約束，約束相對(duì)較小，因此拉應(yīng)力的增長也最為平緩。

圖3 原施工方案下特征點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線Fig.3 Temperature duration curve of representative points under the original program

圖4 原施工方案下特征點(diǎn)溫度應(yīng)力歷時(shí)曲線Fig.4 Duration curve of temperature stress of representative points under original program

該澆筑方案下的溫度應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。1號(hào)特征點(diǎn)抗裂安全系數(shù)最低為1.19，3號(hào)特征點(diǎn)抗裂安全系數(shù)最高為1.81。目前，相關(guān)規(guī)范并未規(guī)定泵站混凝土溫度應(yīng)力最小抗裂安全系數(shù)的取值問題，參考《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319-2005附錄F)規(guī)定，大壩混凝土溫度應(yīng)力安全系數(shù)可根據(jù)工程的重要性及開裂的危害性在1.5～2.0之間取值，故參考混凝土壩溫度應(yīng)力安全系數(shù)的取值范圍，并考慮到本泵站屬Ⅱ等工程，允許抗裂安全系數(shù)取小值1.5。因此，在該方案的情況下，采取22 ℃澆筑方案無法保證安全，很可能會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫。

中國法學(xué)會(huì)財(cái)稅法學(xué)研究會(huì)會(huì)長、北京大學(xué)法學(xué)院教授劉劍文曾以研究會(huì)的名義提交了意見，包括基本費(fèi)用減除標(biāo)準(zhǔn)、綜合所得問題，最高邊際稅率問題，以及專項(xiàng)附加扣除的標(biāo)準(zhǔn)、條件、程序，以及如何生效等。

表3 22 ℃澆筑方案溫度應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Results of temperature stress under 22 ℃ pouring scheme

2.2 擬采取的溫控措施

為保證安全，控制早期溫度應(yīng)力，考慮在原溫控方案的基礎(chǔ)上降低澆筑溫度至20 ℃，并分別計(jì)算不通水和通水2種情況。通水方案中采用PE管通水，通水溫度為5 ℃，通水5 d，水管采用垂直間距1 m，水平間距1 m的布置形式。

表4為20 ℃澆筑時(shí)通水和不通水的溫度應(yīng)力結(jié)果。從表4中可以看到，采用降低澆筑溫度的方法，最大拉應(yīng)力下降，表面點(diǎn)抗裂安全系數(shù)提高至1.32，但仍不滿足1.5的抗裂安全系數(shù)要求。即使在20℃澆筑的基礎(chǔ)上再采取通水措施，抗裂安全系數(shù)僅較不通水時(shí)提升了0.05，效果不顯著。

進(jìn)一步分析原因，在于澆筑時(shí)間1月份環(huán)境溫度很低，混凝土表面溫降過快。同時(shí)，底板尺寸過大，結(jié)構(gòu)尺寸變化也大，導(dǎo)致約束作用大。

表4 20 ℃澆筑方案溫度應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.4 Results of temperature stress under 20℃ pouring scheme

2.3 采用預(yù)留寬縫的澆筑方式

從上節(jié)計(jì)算結(jié)果可知，需要進(jìn)一步采取嚴(yán)格的溫控措施才能保證安全。若繼續(xù)降低混凝土澆筑溫度，由于使用的是商品混凝土，很難進(jìn)行有效的控制；且由于底板鋼筋密集及鋼筋綁扎困難，也很難布置冷卻水管，因此考慮改變澆筑方式進(jìn)行溫度應(yīng)力的控制。在原施工方案的基礎(chǔ)上，在最危險(xiǎn)斷面附近設(shè)置1 m的寬縫為后澆帶。此方案的有限元模型網(wǎng)格圖以及特征點(diǎn)位置示意如圖5所示。

圖5 預(yù)留寬縫的有限元模型網(wǎng)格Fig.5 Ledger wall finite element model with preseted cracks

采用的澆筑方案：1月初澆筑，澆筑溫度為20 ℃，不采取通水冷卻措施，混凝土表面采取單層保溫被保溫，放熱系數(shù)取7.2 kJ/(m2·h·℃)。

圖6為該方案下的溫度應(yīng)力歷時(shí)曲線。增設(shè)寬縫后，斷面附近混凝土之間約束減弱，斷面整體散熱情況變好。在溫升時(shí)期，混凝土在水化熱作用下向外膨脹，2號(hào)特征點(diǎn)位于內(nèi)部，受到來自四周混凝土的約束而呈現(xiàn)壓應(yīng)力，1號(hào)特征點(diǎn)位于表面，其約束由于寬縫設(shè)置減小，于是在該方案計(jì)算中表現(xiàn)出“外拉內(nèi)壓”的現(xiàn)象。隨著混凝土溫度下降，拉應(yīng)力逐漸升高。由于約束作用的減弱，在澆筑12 d后拉應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與原澆筑方案相比澆筑后期的拉應(yīng)力明顯降低。由于約束作用的減弱，在澆筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案中2號(hào)特征點(diǎn)澆筑后期的拉應(yīng)力明顯低于原澆筑方案中該點(diǎn)的拉應(yīng)力，3號(hào)特征點(diǎn)由于主要受到地基的約束，整體變化趨勢(shì)沒有明顯改變。

圖6 預(yù)留寬縫后特征點(diǎn)溫度應(yīng)力歷時(shí)曲線Fig.6 Duration curve of temperature stress of representative points with preseted cracks

表5是該方案下的溫度應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(jì)，與表3和表4進(jìn)行對(duì)比分析可得，設(shè)置寬縫后，除3號(hào)外，1號(hào)和2號(hào)特征點(diǎn)最大拉應(yīng)力分別降低了1.32和0.82 MPa。同時(shí)，1號(hào)特征點(diǎn)安全系數(shù)提高至2.15，明顯高于20 ℃澆筑且通水方案的1.37。

表5 預(yù)留寬縫后20 ℃澆筑方案溫度應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.5 Results of temperature stress under 20 ℃ pouring scheme with preseted cracks

圖7為3號(hào)特征點(diǎn)的溫度歷時(shí)曲線。在該方案下，3號(hào)特征點(diǎn)的最大拉應(yīng)力由1.59 MPa升高為1.82 MPa，這主要是3號(hào)特征點(diǎn)位于底部，主要受到地基的約束作用，而寬縫的主要作用是減小混凝土間約束，因此對(duì)于3號(hào)特征點(diǎn)沒有很大的改善作用，相反使得該位置散熱條件變好，溫降加快，導(dǎo)致拉應(yīng)力增大。但是綜觀整個(gè)方案，雖然3號(hào)特征點(diǎn)安全系數(shù)略有下降，但仍滿足1.50的抗裂安全系數(shù)要求，總體效果較好。

圖7 預(yù)留寬縫前后3號(hào)特征點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線Fig.7 Temperature duration curve of representative point L3 before and after cracks presetting

3 實(shí)際溫控措施及效果

在樊口二站底板的實(shí)際澆筑過程中，施工方嚴(yán)格執(zhí)行溫控方案，按要求預(yù)留了1 m的寬縫，同時(shí)控制澆筑溫度不高于19 ℃。由于澆筑季節(jié)為冬季，施工單位非常重視表面保溫工作，除表面覆蓋保溫材料外，還采取了搭棚子升爐子等保溫措施，棚內(nèi)溫度得到了較好的控制，防止了低溫(最低氣溫0 ℃以下)的不利影響。澆筑后4 d內(nèi)的環(huán)境溫度和棚內(nèi)溫度記錄如圖8所示。從圖8中可以看出，底板混凝土表面的局部溫度明顯高于環(huán)境氣溫，避免了混凝土表面的過快溫降。

圖8 環(huán)境溫度和棚內(nèi)溫度Fig.8 Temperature of environment and temperature in the roof

底板混凝土澆筑完成后，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)多次檢查，沒有發(fā)現(xiàn)溫度裂縫。因此，在泵站底板低溫季節(jié)施工中，預(yù)留寬縫不失為一種控制溫度應(yīng)力的行之有效的方法。同時(shí)，表面保溫措施也是必須的措施之一。

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