南新涇泵閘大體積混凝土閘底板溫度應力場有限元計算分析

摘要：為研究不同工況條件下大體積混凝土溫控措施的可行性，開展了大體積混凝土閘底板溫度應力場有限元計算分析。以上海南新涇泵閘工程為例，對閘室底板段大體積混凝土不同截面處的溫度進行仿真計算，并將成果數(shù)據(jù)與相應截面的溫度實測數(shù)據(jù)比對，驗證模型及參數(shù)的準確性。在模型的準確性得到驗證之后，以溫度為荷載進一步對底板應力進行計算，確定底板拉應力的分布規(guī)律。結(jié)果表明：有限元計算分析的底板整體受力符合大體積混凝土受力狀態(tài)分布規(guī)律，大體積混凝土閘底板底層澆筑區(qū)和兩側(cè)齒墻邊緣棱角處出現(xiàn)了拉應力集中，可為“內(nèi)部降溫、外部保溫”的溫控防裂策略提供依據(jù)。

關鍵詞：大體積混凝土； 溫度應力場； 有限元計算； 南新涇泵閘工程

中圖法分類號：TV544

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S1.015

文章編號：1006-0081（2024）S1-0051-06

0 引 言

目前，針對大體積混凝土溫度裂縫的控制問題未完全得到解決，混凝土內(nèi)外的溫度梯度引起的應力仍是主要技術(shù)難題［1］。上海市閔行區(qū)所修建的南新涇泵閘工程涉及多處大體積混凝土澆筑區(qū)域?；陂l室結(jié)構(gòu)特點，如果閘室下部底板出現(xiàn)溫度裂縫，過流時的高速水流及超高壓強將會進一步破壞底板結(jié)構(gòu)，加之底板上部閘墩的壓應力會使內(nèi)部拉應力增加，導致底板整體安全性受到影響。對此，若不及時采取相應的溫控措施，會使表面裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)樨灤┝芽p，危及閘室的安全［2］，影響泵站運行。

在進行大體積混凝土施工時，通常根據(jù)以往工程經(jīng)驗及相關技術(shù)規(guī)范和理論依據(jù)。針對重大工程及高質(zhì)量要求的工程，這些經(jīng)驗存在不定因素，不利于精細化管理控制。本文基于大體積混凝土溫度場與應力場變化特點，在國內(nèi)外相關學者研究成果的基礎上，結(jié)合大體積混凝土底板溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，展開對閘室底板溫度場和應力場的仿真分析，并進一步研究不同工況條件下大體積混凝土溫控措施的可行性。最后針對大體積混凝土溫控施工提出具體建議，對預防大體積混凝土水工建筑物裂縫的產(chǎn)生、保證工程長久安全的運行具有參考價值［3］。

1 工程概況

南新涇泵閘位于上海市閔行區(qū)新涇港河道和淀浦河匯流處，擔負著南新涇水系防汛除澇的重要任務。南新涇泵閘近鄰黃浦江，工程等級為Ⅰ等，其中，1級水工建筑物包括泵房、閘室、進出水池、外河側(cè)消力池、翼墻及護岸等。閘室底板順水流方向長8 m，垂直水流方向長15 m，中間澆筑厚1.6 m，兩側(cè)齒墻澆筑厚2.5 m，基礎底高程-2.5 m。泵站作業(yè)方式為單向作業(yè)，共設3臺豎井式圓筒泵，每臺泵設計流量為13.33 m3/s，總流量達40 m3/s，閘室底板混凝土強度等級為C30，混凝土澆筑量約為751 m3。

根據(jù)設計要求，為控制底板裂縫，在混凝土中添加聚丙烯腈抗裂纖維，在混凝土中的指導摻量為0.8 kg/m3，經(jīng)計算，添加抗裂纖維后，混凝土抗裂級別為Ⅰ級。水泥采用P42.5級普通硅酸鹽水泥，底板下部基礎采用C30灌注樁固基，中心間距1.2 m，樁長20～25 m，貫穿風化粉質(zhì)黏土層。

2 大體積混凝土閘底板有限元仿真計算

2.1 有限元分析模型

底板模型坐標系的坐標原點選在上游右側(cè)底板最底部，選取順水流方向為X軸，Z軸豎直向上，Y軸按右手螺旋法則指向左岸，建立大體積混凝土閘底板模型。其中，淀浦河側(cè)底板由-3.55 m澆筑至-0.95 m（已考慮5 cm整體拋高），新涇港側(cè)底板由-3.55 m澆筑至-0.95 m（已考慮5 cm整體拋高），底板厚度1.60 m，模型中地基厚度10 m。地基-底板整體模型共劃分節(jié)點數(shù)77 270個，單元數(shù)62 660個，其中底板包括節(jié)點數(shù)41 044個，單元數(shù)34 800個。

進行單元剖分時，考慮實際澆筑厚度和結(jié)構(gòu)各部位受力特性，在底板兩側(cè)和中部區(qū)域網(wǎng)格加密，利用管冷單元模擬冷卻水管，即在需布置冷卻水管位置尋找混凝土單元節(jié)點，按冷卻水管布置連接單元節(jié)點自動生成管冷單元，路徑方向為冷卻水流流向。水閘地基-底板有限元模型見圖1～2。

2.2 邊界條件

根據(jù)實際情況設置溫度場和應力場分析邊界條件，模型中還需設置冷卻水管參數(shù)和混凝土熱力學參數(shù)及施工階段的定義。根據(jù)南新涇泵閘底板澆筑施工方案，底板混凝土為一次連續(xù)性澆筑，為保證底板混凝土的施工質(zhì)量，澆筑過程采用分層澆筑法，每層厚度400 mm，在模型建立過程中定義一個施工階段。

2.3 溫度場仿真計算與校核

2.3.1 溫度場仿真計算

2021年4月開展水閘底板澆筑，采用兩臺泵車同時分塊澆筑，考慮到太陽輻射影響，澆筑溫度取當時日平均氣溫+3 ℃，即19.5 ℃。根據(jù)混凝土測溫數(shù)據(jù)，混凝土進場溫度基本為20～25 ℃，取入模溫度為20 ℃，模擬水化熱施工階段間隔取12 h，綜合考慮以上熱力學參數(shù)及邊界條件進行溫度場仿真模擬。

進行仿真計算時，選取模型中的特征節(jié)點分析溫度與應力發(fā)展規(guī)律，并與現(xiàn)場實測混凝土內(nèi)外溫度監(jiān)測值進行對比。本文選取-1.00 m高程斷面（底板表層）16 714節(jié)點為特征點1，-1.80 m高程斷面（底板中層）14 532節(jié)點為特征點2，-2.55 m高程斷面（底板底層）21 963節(jié)點為特征點3進行溫控分析。通過研究其溫度歷程變化曲線分析底板混凝土溫度變化情況，確定溫度梯度變化幅度較大的時間范圍，進而分析該時間段的溫度云圖及應力等值線圖，判斷是否會出現(xiàn)開裂風險。繪制特征點溫度歷時曲線如圖3所示。

根據(jù)底板表層、中層、底層特征點的溫度歷時曲線可得到以下結(jié)論：

（1） 底板各高程截面達到溫度峰值的時間略有差異，混凝土底板底層和中層都在2 d齡期達到最高溫度，表層在1.5 d齡期就達到最高溫度，之后溫度緩慢降低，在10 d齡期時溫度達到最低溫度，此時溫度場趨于穩(wěn)定。

（2） 底板-1.80 m高程，即混凝土中間澆筑層溫度峰值最高，達到43 ℃；-1.00 m高程最高溫度為29.14 ℃；-2.55 m高程最高溫度為36.19 ℃，整體溫度變化趨勢相仿。

由圖3可以看出，第2天和第3天齡期為溫度峰值時段，且底板混凝土溫度變化幅度較大。為了進一步分析整個底板的溫度變化范圍，明確大體積混凝土閘底板的裂縫潛在風險，選擇2 d齡期、3 d齡期、10 d齡期、20 d齡期溫度云圖進行分析。為了研究底板內(nèi)部的溫度分布情況，將底板沿X軸方向激活1/2整體模型，經(jīng)過有限元計算，所得溫度云圖如圖4～7所示。

由圖4，5可知，第2天、第3天齡期底板內(nèi)部冷卻水管附近溫度梯度較大，主要集中在管壁與周圍混凝土的交界面。造成這種現(xiàn)象的原因主要是冷卻水流和其周圍混凝土的溫度存在一定的溫差，需根據(jù)應力等值線圖確定拉應力大小。底板中間主體澆筑部分溫度梯度在2 d齡期達到最大，此時混凝土溫度內(nèi)高外低，且表層部位和兩側(cè)棱角處溫度梯度較大。為此，需要加強對應齡期表層和棱角處混凝土的保溫工作。3 d后，底板混凝土溫度梯度逐漸降低。根據(jù)圖6和圖7分析可知，此時混凝土溫度場已經(jīng)趨于穩(wěn)定，整體溫度分布均勻，最大溫差不超過5 ℃，混凝土的水化熱反應也進入了中后期階段。

2.3.2 溫度場計算結(jié)果校核

為了驗證有限元模型的準確性，取距離閘室底板頂面0.425 m（底板中上層）和1.175 m（底板中下層）處的典型節(jié)點，將14 d內(nèi)的溫度仿真模擬結(jié)果與實測值進行比對，如圖8～9所示。

由圖8，9可知，有限元計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好，溫度走勢基本與實測數(shù)據(jù)走向一致。由于現(xiàn)場冷卻水管布置間距稍有誤差，實測值在模擬值附近波動，整體上誤差基本控制在1～1.5 ℃左右。綜上所述，閘室底板模型及相關參數(shù)具有較高精度，滿足后續(xù)有限元分析要求。

2.4 溫度應力場有限元計算分析

大體積混凝土在養(yǎng)護期間，隨著內(nèi)部水化熱反應的進行，彈性模量逐漸增加，剛性隨之變大，而混凝土結(jié)構(gòu)由于溫度的升降趨于膨脹和收縮時，會受到本身剛性體的約束。溫度變化產(chǎn)生的溫度應力，成為引起大體積混凝土裂縫的主要原因。根據(jù)材料力學中的應力強度理論，當混凝土內(nèi)部拉應力超過其允許抗拉強度時，就會遭到破壞，而混凝土結(jié)構(gòu)本身抗壓不抗拉的特性也決定了大體積混凝土溫度應力場分析的必要性［4］。

2.4.1 應力場有限元計算

通過對底板溫度場的仿真計算與分析，已經(jīng)大致了解閘室底板混凝土的溫度場分布規(guī)律，確定了混凝土溫度梯度較大的時間段。但是，通過這些數(shù)據(jù)還無法準確判斷出閘室底板可能出現(xiàn)裂縫的區(qū)域。為了進一步確定底板應力情況，沿Y軸方向選取A-A截面，依次在底板頂面處（-1.00 m高程）、-1.40 m高程、-1.80 m高程和-2.20 m高程處選取典型特征點DB-1、DB-2、DB-3、DB-4，繪制拉應力歷時曲線圖，特征點在模型中的位置可見圖10～11。仿真分析中規(guī)定拉應力為“+”，壓應力為“-”，在仿真模擬的后處理模塊中選取應力為第一主應力，具體結(jié)果如圖12所示。

根據(jù)閘室底板特征點第一主應力歷時曲線，對閘室底板受力狀態(tài)分析如下：

（1） DB-1為閘室底板表層特征點，閘室底板表層混凝土在前10 d齡期主要承受拉應力，在3 d齡期左右達到拉應力峰值，后逐漸降低，10 d后表層混凝土的受力狀態(tài)由拉應力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯Α?/p>

（2） DB-2～DB-4為閘室底板內(nèi)層特征點，前期受壓，后期受拉，且接近混凝土表層的DB-2特征點應力變化幅度較小。DB-3處于混凝土中層，在4.5 d齡期后應力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，DB-4處于混凝土底層，在6.2 d齡期受力狀態(tài)由壓應力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?，且相比于DB-2、DB-3特征點，DB-4特征點后期拉應力增長速度較快，拉應力較大。閘室底板各截面應力數(shù)據(jù)見表1。

由表1可見，底板表層混凝土在3 d齡期達到拉應力峰值1.43 MPa，經(jīng)計算，對應時刻的允許抗拉強度為1.58 MPa，拉應力接近其允許拉應力強度。底板內(nèi)部特征點最大拉應力均在30 d齡期出現(xiàn)，其中，DB-2～DB-3特征點拉應力均未超過1 MPa，處于混凝土底層的DB-4特征點后期拉應力漲幅較大。

結(jié)合以上底板第一主應力歷時曲線和拉應力數(shù)據(jù)可知，底板的中下層拉應力接近允許抗拉強度，激活底板3/4模型，使應力等值線圖時間點與溫度云圖時間點對應，選擇底板混凝土2 d齡期、3 d齡期、10 d齡期、20 d齡期的溫度應力等值線圖進行觀察，對底板內(nèi)部順水流方向和垂直水流方向的應力情況進行分析，應力為第一主應力。溫度應力等值線圖如圖13～16所示。

由圖13～14可知，第2，3天齡期水閘底板表面呈現(xiàn)整體受拉的狀態(tài)，且底板兩側(cè)齒墻上邊緣和棱角處有拉應力集中，拉應力數(shù)值較大。隨著齡期的增長，底板表層受拉區(qū)面積逐漸增大，底板內(nèi)部呈現(xiàn)整體受壓的狀態(tài)，且冷卻水管附近壓應力較為集中。

由圖15～16可知，混凝土養(yǎng)護后期底板表層混凝土主要受壓應力，只有齒墻上側(cè)區(qū)域及棱角處有小規(guī)模的拉應力集中，應力值都在1 MPa以下，此時的拉應力主要出現(xiàn)在混凝土內(nèi)部澆筑區(qū)，且底層拉應力較大。

2.4.2 應力場計算結(jié)果分析

結(jié)合圖3和圖12分析得出，在2 d齡期以前，混凝土主要處于升溫階段，該時段內(nèi)倉面混凝土溫升幅度較小且散熱較快，內(nèi)部混凝土溫升幅度大，外層混凝土就會約束內(nèi)部混凝土的相對膨脹，因此底板澆筑初期表層混凝土主要受拉，內(nèi)部混凝土主要受壓。DB-2～DB-4為混凝土內(nèi)部特征點，該時段內(nèi)表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，且壓應力不斷變大，處于該時刻的表層特征點DB-1拉應力不斷變大。當?shù)装暹M入溫降階段，混凝土的彈性模量變大，內(nèi)部混凝土的變形約束就會增強，拉應力隨之變大，逐漸抵消了溫升階段的壓應力。對應時段的DB-2～DB-4特征點拉應力不斷變大，且從10 d齡期和20 d齡期底板應力等值線圖可見，該階段內(nèi)部混凝土主要受拉，表層混凝土受壓。整體而言，底板受力狀態(tài)符合混凝土結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分布規(guī)律。

結(jié)合溫度應力等值線圖和溫度應力歷時曲線圖可知，水化熱反應前期，在底板齒墻的上邊緣及棱角處產(chǎn)生了拉應力集中，這主要是因為底板齒墻處尺寸變化較大，加之保溫層較薄，水化熱反應產(chǎn)生的溫度梯度較大，出現(xiàn)了拉應力集中現(xiàn)象。水化熱反應后期，在底板底層區(qū)域也出現(xiàn)了較為明顯的拉應力集中，且由圖12分析得出，位于底板底層的DB-4特征點在后期拉應力也顯著增大，這是由于底板底層混凝土受到地基的約束作用更強，加之周圍混凝土也會約束其冷縮變形，所以其拉應力后期漲幅較大。

針對以上拉應力分布規(guī)律，在大體積混凝土施工過程中，要有針對性采用“內(nèi)部降溫，外部保溫”的溫控防裂策略，即選擇合適的入模溫度、冷卻水管布置方式和保溫層厚度，降低溫度裂縫的發(fā)生概率。

3 結(jié) 論

本文主要基于大體積混凝土溫度場、溫度應力場和水管冷卻計算的基本理論，利用有限元計算軟件對閘室底板的溫度場及應力場進行了研究，主要成果如下。

（1） 通過有限元計算軟件模擬了大體積混凝土閘底板澆筑后30 d的溫度變化過程，分析底板內(nèi)部溫度場的變化規(guī)律，并與實測數(shù)據(jù)擬合，驗證了南新涇底板模型的可行性。

（2） 以溫度為荷載模擬底板的應力場，計算結(jié)果表明，底板整體受力符合大體積混凝土受力狀態(tài)分布規(guī)律。大體積混凝土閘底板底層澆筑區(qū)和兩側(cè)齒墻邊緣棱角處出現(xiàn)了拉應力集中，據(jù)此提出了“內(nèi)部降溫、外部保溫”的溫控防裂策略。

參考文獻：

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