大型豎井貫流式泵站大體積混凝土結(jié)構(gòu)高溫季節(jié)施工溫控防裂措施研究

張?zhí)m蘭，李 禹，胡 勇，張程鵬，強(qiáng) 晟

（1.紹興市水利水電勘測設(shè)計院有限公司，浙江 紹興 312000；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.浙江省水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310000）

1 問題的提出

大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中往往采用商品混凝土，難以控制其澆筑溫度，特別是在高溫季節(jié)澆筑，溫控防裂難度很大[1-2]。據(jù)以往類似工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)的研究成果，此類大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期和運(yùn)行初期易出現(xiàn)裂縫[3]。同時，溫控防裂模擬中的大體積混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型單元數(shù)量龐大，在保證計算精度的前提下，往往采用等效冷卻算法，以減少計算復(fù)雜度[4]。該算法的特點(diǎn)是有限元模型中并無實(shí)際水管單元，故模型溫度場并無明顯的空間梯度，內(nèi)部溫度場比較均一[5]。

本文研究的馬山泵站布置于馬山大河與曹娥江交匯口右岸。泵房段長55.60 m，寬105.50 m，共設(shè)置4臺單機(jī)流量50 m3/s的豎井貫流泵，設(shè)計總規(guī)模200 m3/s。泵房段順?biāo)鞣较蛟O(shè)置1道分縫，順?biāo)鞣较驅(qū)⒈梅糠?段（進(jìn)水段和出水段），長度分別31.85，23.75 m；底板厚度大多為2.00 m；進(jìn)水流道邊墩厚為4.35 m，中墩厚為4.30 m，縫墩厚為2.85 m。出水流道單孔流道中間設(shè)隔墩，隔墩厚1.50 m。出水流道邊墩厚4.60 m，中墩厚4.80 m，縫墩厚為3.10 m。馬山泵站為大型豎井貫流式泵站，流道結(jié)構(gòu)尺寸大且形式復(fù)雜。因此，有必要通過溫控防裂專題研究，在流道結(jié)構(gòu)現(xiàn)有分縫原則不變的情況下，提出可靠的溫控防裂措施，盡量減少施工期及運(yùn)行期結(jié)構(gòu)的溫度裂縫，為流道結(jié)構(gòu)的施工過程提供技術(shù)指導(dǎo)[6-8]。

2 有限元模型與計算條件

進(jìn)水流道段的有限元模型見圖1，單元總數(shù)為96 599，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為107 981。出水流道段的有限元模型見圖2，單元總數(shù)為63 331，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為107 981。圖中未展示地基網(wǎng)格。

圖1 進(jìn)水流道段泵站有限元模型圖

溫度場仿真計算中，地基的四周和底面為絕熱面，上表面為散熱邊界。當(dāng)結(jié)構(gòu)的永久縫表面未被覆蓋時，其為散熱邊界，覆蓋后為絕熱邊界。其他表面均為散熱邊界。應(yīng)力場仿真計算中，地基的四周和底面施加法向約束，結(jié)構(gòu)的永久縫表面、上表面及其他表面為自由邊界[8]。

泵站主體采用C30混凝土，其絕熱溫升終值為50.8 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)為10.44 kJ/(m·h·℃)，比熱為1.05 kJ/(kg·℃)，導(dǎo)溫系數(shù)為0.004 4 m2/h?；炷辆€脹系數(shù)為8.9×10-6/℃，泊松比為0.167，密度為2 318 kg/m3，自生體積變形終值為30個微應(yīng)變，彈性模量終值為35 GPa。

主要計算工況：①進(jìn)水流道和出水流道初始工況：底板混凝土于初春澆筑，流道層和上部墻體于夏季澆筑。其中流道層分2層澆筑，澆筑溫度考慮為日均氣溫+8 ℃（自然入倉），商品混凝土不采取任何溫控防裂措施。②進(jìn)水流道和出水流道最優(yōu)工況：在基礎(chǔ)工況基礎(chǔ)上，將底板削峰8 ℃；將流道的澆筑層由2層改為1層，流道層底1.45 m高度范圍內(nèi)削峰35 ℃、流道層中3.00 m高度范圍內(nèi)削峰30 ℃、流道層上3.00 m高度范圍內(nèi)削峰25 ℃；將上部墻體削峰25 ℃。相應(yīng)進(jìn)行溫降速率和通水時長控制。流道下層、上層和上部墻體混凝土均摻入膨脹劑。另外，對底板、流道及上部墻體進(jìn)行秋冬季保溫。

圖2 出水流道段泵站有限元模型圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 初始工況的模擬結(jié)果

圖3為出口流道段邊墩中心剖面的溫度包絡(luò)圖和應(yīng)力包絡(luò)圖。圖4為出口流道段下部水平剖面的溫度包絡(luò)圖和應(yīng)力包絡(luò)圖。圖5為出水流道邊墩內(nèi)部點(diǎn)的溫度和應(yīng)力歷時曲線圖。

圖4 出水流道下部水平剖面的溫度包絡(luò)圖（℃）和應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

由圖3可見，由于流道結(jié)構(gòu)在夏季澆筑，商品混凝土的澆筑溫度很高，在初溫高、環(huán)境溫度高的條件下，混凝土的水化反應(yīng)非常充分，故水化放熱量很大。無任何溫控措施時，只有通過結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行散熱，對于體積很厚的部分則內(nèi)部難以散熱，導(dǎo)致內(nèi)部溫度峰值很高。在無任何溫控措施的情況下，出水流道內(nèi)部的最高溫度約為85 ℃，相應(yīng)時刻的表面溫度為35~60 ℃，內(nèi)外溫差較大。由圖3~4可見，出水流道內(nèi)部和表面大部分區(qū)域最大拉應(yīng)力都超過了抗拉強(qiáng)度（3.25 MPa），其中內(nèi)部拉應(yīng)力最大達(dá)到7.34 MPa。由圖5可見，流道邊墩內(nèi)部點(diǎn)最高溫約75 ℃。內(nèi)部點(diǎn)由于受到本層混凝土溫降以及上層混凝土溫升的影響，拉應(yīng)力在早齡期有很大的上升，最大拉應(yīng)力為6.00 MPa。

圖3 出水流道邊墩中心剖面的溫度包絡(luò)圖（℃）和應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

圖5 出水流道邊墩內(nèi)部點(diǎn)的溫度和應(yīng)力歷時曲線圖

3.2 最優(yōu)工況的模擬結(jié)果

圖6為出水流道邊墩縱向中心剖面的溫度包絡(luò)圖和應(yīng)力包絡(luò)圖。圖7為出水流道下部水平剖面的溫度包絡(luò)圖和應(yīng)力包絡(luò)圖。圖8為出水流道邊墩內(nèi)部點(diǎn)的溫度和應(yīng)力歷時曲線圖。

圖6 出水流道邊墩縱向中心剖面的溫度包絡(luò)圖（℃）和應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

圖7 出水流道下部水平剖面的溫度包絡(luò)圖（℃）和應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

圖8 出水流道邊墩內(nèi)部點(diǎn)的溫度和應(yīng)力歷時曲線圖

在采用綜合性的溫控防裂措施后，流道內(nèi)部的最高溫度約為60 ℃，相應(yīng)時刻的表面溫度約為50 ℃，內(nèi)外溫差較小。由應(yīng)力包絡(luò)圖可見，除門槽部位和少數(shù)應(yīng)力集中的角點(diǎn)位置最大拉應(yīng)力超過3.25 MPa，其余部位的拉應(yīng)力都低于3.25 MPa。由特征點(diǎn)歷時曲線圖可見，流道邊墩內(nèi)部點(diǎn)最高溫約53 ℃。內(nèi)部點(diǎn)由于優(yōu)化了溫降速率，且流道改為1層澆筑，故流道下部受到上層墻體混凝土溫升的影響大幅減小，因此，流道下部特征點(diǎn)拉應(yīng)力最大值不再超過抗拉強(qiáng)度。

3.3 溫控指標(biāo)建議

根據(jù)數(shù)值模擬的最優(yōu)工況，提出溫控指標(biāo)建議值見表1。

表1 溫控指標(biāo)表

4 結(jié) 論

（1）在夏季澆筑條件下，如果沒有任何溫控措施，則流道混凝土內(nèi)部最高溫度基本在65~85 ℃，內(nèi)部最大拉應(yīng)力達(dá)到6.00~7.50 MPa。進(jìn)口段和出口段的最大拉應(yīng)力都發(fā)生在墩墻內(nèi)部，尤其是流道下層混凝土內(nèi)部的拉應(yīng)力較大，將發(fā)生貫穿性裂縫或深層裂縫。因此，有必要采取溫度控制等防裂措施。

（2）在水管冷卻的條件下控制溫降速率和通水時間，混凝土內(nèi)部不同部位的溫度峰值下降10~30 ℃，最大拉應(yīng)力下降1.00~2.40 MPa，但內(nèi)部溫度仍很高，達(dá)60~65 ℃，最大拉應(yīng)力仍超過抗拉強(qiáng)度?？梢?，在夏季采用水管冷卻措施控制泵送商品混凝土的溫度和應(yīng)力仍是不夠的，有必要輔以其他溫控和防裂措施。

（3）在溫控措施的基礎(chǔ)上，向混凝土內(nèi)摻入一定比例的膨脹劑，可以進(jìn)一步將混凝土的最大拉應(yīng)力控制在抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)。但對于某些應(yīng)力易集中的部位，比如結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角或門槽部位仍易開裂，建議這些部位加強(qiáng)鋼纖維或鋼筋布置，限制裂縫擴(kuò)展的程度。