夏季采用商品混凝土澆筑大型泵站的溫度和應(yīng)力控制

章景濤 鄭學(xué)瑞 裘華鋒 張南南 強(qiáng) 晟

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098；2.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，杭州 310002)

泵站承擔(dān)著農(nóng)田灌溉、城市供水、跨區(qū)域調(diào)水及區(qū)域排澇等任務(wù).隨著對泵站工程需求的增加，大型泵站和特大型泵站日益增多，作為區(qū)域調(diào)水及排澇的重要工程，大型泵站的結(jié)構(gòu)耐久性及安全性備受重視[1].但是由于泵站流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、墩墻厚度變化大等原因，很容易在施工期及運(yùn)行期出現(xiàn)不同程度的裂縫[2].在各省在建和已建的泵站中，很多泵站特別是泵站的流道部分出現(xiàn)了裂縫[3].裂縫的存在和發(fā)展，不僅影響泵站結(jié)構(gòu)的外觀、削弱其承載力，還會(huì)帶來滲漏、鋼筋銹蝕、保護(hù)層剝落、混凝土碳化加快等一系列問題[4].長期以來，國外工程界把溫度控制視為防止大體積混凝土裂縫的方法，有一定的道理但不全面，控制應(yīng)力才是防止混凝土裂縫的方法[5].根據(jù)之前的研究，“表面保溫+內(nèi)部水管降溫”的溫控措施已經(jīng)被提出并應(yīng)用[6-8]，但近年來的實(shí)踐表明，在某些極端條件下僅僅通過溫度控制措施仍無法達(dá)到防裂的目標(biāo)，有必要進(jìn)一步研究減小其拉應(yīng)力的方法.

1 工程概況

某大型貫流式泵站設(shè)計(jì)排澇流量為250m3/s，由5臺單泵流量為50m3/s的貫流泵組成.泵房段采用分段式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)機(jī)組與上部房建布置，在順?biāo)鞣较蚍譃閮啥?，上游?cè)的機(jī)組段順?biāo)鞣较蜷L度為28.75m，下游側(cè)的出水流道段順?biāo)鞣较蜷L度為23m，泵房段順?biāo)鞣较蚩傞L度為51.75m.單個(gè)機(jī)組段的寬度為14.7m，澆筑塊的橫河向的分縫間距是0.50m.因?yàn)樵摫谜玖鞯啦糠纸Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，底板和流道在夏天進(jìn)行澆筑施工，所采用的商品泵送混凝土無法控制澆筑溫度，水泥用量較大，水化熱溫升難以控制，自生體積收縮變形也較大，材料、結(jié)構(gòu)、施工、環(huán)境氣溫方面的不利因素疊加，導(dǎo)致泵站在施工期容易產(chǎn)生裂縫[9]，必須對泵站進(jìn)行施工期溫度場和應(yīng)力場仿真計(jì)算，提出相應(yīng)的防裂方案，降低產(chǎn)生裂縫的可能性，使得泵站能夠順利施工并能長久安全的運(yùn)行.

2 基本計(jì)算原理

2.1 非穩(wěn)定溫度場的基本理論[5]

在混凝土計(jì)算域R內(nèi)任何一點(diǎn)處，不穩(wěn)定溫度場T(x，y，z，t)必須滿足熱傳導(dǎo)控制方程

式中T為溫度 ℃α為導(dǎo)溫系數(shù)mhθ為 混 凝土絕熱溫升(℃)；t為時(shí)間(d)；τ為齡期(d).

2.2 水管冷卻混凝土溫度場的計(jì)算方法[10-11]

根據(jù)傅立葉熱傳導(dǎo)定律和熱量平衡條件，可得水管沿程水溫增量為：

式中，qw、cw和ρw分別為冷卻水的流量(m3/s)，比熱容[kJ/(kg·℃)]和密度(kg/m3)；λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)[kJ/(m·h·℃)]；n為水管外表面混凝土面的外法線向坐標(biāo).

2.3 徐變應(yīng)力求解的基本理論[5]

混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變增量常常包括彈性應(yīng)變增量、徐變應(yīng)變增量、溫度應(yīng)變增量、干縮應(yīng)變增量和自生體積變形增量，因此有

3 主要計(jì)算參數(shù)

3.1 氣溫資料

該泵站所在地多年月平均氣溫?cái)M合成余弦曲線公式如下，同時(shí)考慮±6℃的晝夜溫差：

3.2 地基主要參數(shù)

因?yàn)榈装逑路绞荂25混凝土樁和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土組成的復(fù)合地基，根據(jù)C25混凝土的參數(shù)以及地基中土與樁的體積比進(jìn)行算術(shù)平均，獲取地基的等效熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 地基等效熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)

3.3 混凝土主要熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)

泵站主要用C25 商品混凝土進(jìn)行澆筑，配合比見表2.參考類似工程，得到熱力學(xué)參數(shù)[12]，見表3.

表2 C25混凝土配合比

表3 混凝土計(jì)算參數(shù)

表面換熱系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場各結(jié)構(gòu)不同時(shí)段的表面覆蓋情況和風(fēng)速而定.計(jì)算考慮的荷載有溫度荷載、自由體積變形、徐變、自重.

4 仿真計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型

由于泵站順河向分兩段澆筑，分別為進(jìn)口段和出口段.進(jìn)口段的有限元模型如圖1所示，單元總數(shù)為58482個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為68845個(gè).出口段的有限元模型如圖2 所示，單元總數(shù)為72054 個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為82450個(gè).

圖1 進(jìn)口段總體有限元模型

圖2 出口段總體有限元模型

溫度場仿真計(jì)算中，地基的四周和底面為絕熱邊界，上表面為散熱邊界，結(jié)構(gòu)對稱面為絕熱邊界.施工臨時(shí)縫面、結(jié)構(gòu)永久縫面當(dāng)未被覆蓋時(shí)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(jì)算中，地基的四周和底面施加法向約束，上表面為自由邊界.結(jié)構(gòu)對稱面施加法向約束，結(jié)構(gòu)永久縫面為自由邊界，其他表面為自由邊界[13].

4.2 特征點(diǎn)

為了顯示典型關(guān)鍵位置的溫度和應(yīng)力隨齡期的發(fā)展歷時(shí)過程，選取進(jìn)口段的特征點(diǎn)1、2作為典型特征點(diǎn)進(jìn)行分析，其中特征點(diǎn)1是進(jìn)口段流道薄墩墻的內(nèi)部點(diǎn)，特征點(diǎn)2是特征點(diǎn)1對應(yīng)的流道薄墩墻的內(nèi)部表面點(diǎn).圖3是特征點(diǎn)1，2的位置示意圖.

圖3 特征點(diǎn)1、2位置示意圖

4.3 主要計(jì)算工況和結(jié)果分析

工況1：按照現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分縫(兩孔一聯(lián))，以及計(jì)劃的澆筑進(jìn)度進(jìn)行施工，夏季商品泵送混凝土自然入倉，無任何溫控防裂措施.根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，澆筑溫度設(shè)為36℃.

工況2：在工況1的基礎(chǔ)上，采用水管冷卻，對高溫季節(jié)澆筑的混凝土(底板、流道)采用直徑4cm 的鋼管，布置密度為0.5m×0.5m，采用河水進(jìn)行冷卻，通水7d，齡期前2d的流量為72m3/s，齡期2～7d的流量逐步減小.其中，冷卻水采用河水，進(jìn)水口水溫取當(dāng)?shù)厝站鶜鉁?

工況3：在工況2的基礎(chǔ)上，將所有澆筑塊的間歇期都設(shè)為7d，摻入膨脹劑減小80%的自生體積收縮變形.同時(shí)將機(jī)組段的橫河向澆筑尺寸減小為一個(gè)機(jī)組段的寬度，即每個(gè)機(jī)組段兩側(cè)均設(shè)永久橫縫，進(jìn)一步減小約束.將底板和流道混凝土的澆筑溫度從36℃控制在30℃，并采用20℃的人工制冷水代替河水進(jìn)行水管冷卻.

工況4：在工況3的基礎(chǔ)上，在混凝土表面覆蓋一層塑料膜保濕防風(fēng)，塑料膜一共覆蓋30d.降低底板和流道下層混凝土的澆筑溫度在25℃，其他澆筑層限制在30℃.本工況的防裂措施為高溫澆筑條件下的相對最優(yōu)工況.

圖4～7是特征點(diǎn)1、2各個(gè)工況的歷時(shí)曲線對比圖.

圖4 特征點(diǎn)1的早齡期溫度歷時(shí)曲線對比圖

圖5 特征點(diǎn)1的應(yīng)力歷時(shí)曲線對比圖

圖6 特征點(diǎn)2的早齡期溫度歷時(shí)曲線對比圖

圖7 特征點(diǎn)2的應(yīng)力歷時(shí)曲線對比圖

取工況1和工況4作為典型工況進(jìn)行結(jié)果分析.

工況1結(jié)果分析：在夏季澆筑條件下，如果沒有任何溫控措施，則混凝土內(nèi)部最高溫度基本在60～80℃，內(nèi)部最大拉應(yīng)力達(dá)到6～8MPa，長墻體的中部必將發(fā)生貫穿性裂縫或深層裂縫，底板也會(huì)產(chǎn)生一些裂縫.因此，有必要采取溫度控制等防裂措施.

工況4結(jié)果分析：在該工況的多項(xiàng)防裂措施聯(lián)合作用下，底板內(nèi)的最高溫度降為47.2℃，流道下部混凝土的最高溫度降為54.7℃.這兩個(gè)結(jié)構(gòu)順河向中部的最大拉應(yīng)力分別降至2.2MPa和1.7MPa，最小防裂安全系數(shù)分別為1.18和1.53.流道上部混凝土順河向中部的最高溫度為61.6℃(厚墻內(nèi))，最大拉應(yīng)力為2MPa(薄墻順河向中部)，對應(yīng)的防裂安全系數(shù)是1.30.由于流道上部體積最大部分結(jié)構(gòu)的上表面加強(qiáng)了表面保溫厚度，減小了此處的內(nèi)外溫差，這里的表面最大拉應(yīng)力從3.5MPa降至2.3MPa，已經(jīng)低于抗拉強(qiáng)度，對應(yīng)防裂安全系數(shù)是1.13.

5 結(jié)論與建議

夏季采用商品泵送混凝土澆筑大型貫流式泵站時(shí)，在沒有任何溫控措施情況下，中下部的大體積混凝土非常容易發(fā)生裂縫，而僅僅依靠水管冷卻是無法完全達(dá)到防裂效果的，必須采用綜合的防裂措施.具體措施建議如下，希望對同類型工程有參考價(jià)值：

1)結(jié)構(gòu)調(diào)整：將每個(gè)機(jī)組段的單側(cè)墩墻都加厚到1.5m，保持每個(gè)流道兩側(cè)的墩墻厚度對稱；對直角應(yīng)力集中處修圓并加密鋼筋.

2)施工分塊：將每個(gè)機(jī)組段都作為獨(dú)立的澆筑塊，即橫河向分縫間距就是一個(gè)機(jī)組段的寬度.將各澆筑層實(shí)施短間歇連續(xù)澆筑，間歇期控制在7d左右.有永久縫分開的澆筑塊之間的間歇期可以比較長.

3)摻外加劑：混凝土內(nèi)摻入緩凝劑，減緩水化放熱速度，使水管冷卻和結(jié)構(gòu)臨空面散熱能及時(shí)充分地發(fā)揮作用.混凝土內(nèi)摻入膨脹劑，大幅減小自生體積收縮變形.

4)溫度控制：底板和流道混凝土埋設(shè)冷卻水管，水管間距0.5m×0.5m，采用15～18℃的人工制冷水或地下水進(jìn)行冷卻.冷卻水管采用直徑4cm 的鋼管，預(yù)先架立在倉內(nèi)，需注意水管接頭處做好密封，混凝土澆筑時(shí)就開始通水冷卻.

5)表面養(yǎng)護(hù)：按照施工規(guī)范進(jìn)行表面保濕養(yǎng)護(hù).確?；炷笼g期30d內(nèi)表面始終有模板或一層土工膜覆蓋，流道頂部上表面齡期30d內(nèi)覆蓋2層復(fù)合土工布.