厚層澆筑條件下大型泵站流道結(jié)構(gòu)施工應(yīng)力研究

毛孟國，王成華，楊 揚

（山東黃河?xùn)|平湖工程局，山東 東平 271000）

1 引言

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程中，如何防止混凝土溫度裂縫一直是工程建設(shè)的重點[1～2]。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，在保證施工質(zhì)量和安全的前提下，最大限度地降低施工難度，縮短施工周期，是新時期工程建設(shè)面臨的新挑戰(zhàn)[3～4]。

楊橋培分析了常規(guī)澆筑、短間隔澆筑和厚層短間隔澆筑的溫度場和應(yīng)力場的變化。結(jié)果表明，在采取合理溫控措施的前提下，適當(dāng)增加澆筑層厚度，可滿足工程防裂要求，有利于縮短工期，提前取得效益[5]。強晟認(rèn)為，在控制澆筑溫度、冷卻水管、表面保溫等溫控措施的情況下，混凝土的應(yīng)力能夠滿足要求，但厚層澆筑對混凝土的應(yīng)力不利[6]。王海波的研究表明，隨著混凝土壩厚度的增加，早期壩體溫度梯度增大，早期拉應(yīng)力增大。這是由厚層引起的問題，必須通過適當(dāng)?shù)谋砻娼^緣措施加以解決[7]。

目前，學(xué)術(shù)界和工程界對閘墩和混凝土壩的厚層澆筑對混凝土結(jié)構(gòu)受力的影響進行了一系列研究，但對大型泵站流道結(jié)構(gòu)的厚層澆筑還沒有嘗試。因此本文從這一方面展開研究分析。

2 仿真計算模型及參數(shù)

華子水電站位于黃河中下游，是一座以灌溉與發(fā)電為主，兼有防洪、防凌和工業(yè)用水等效益的綜合性水利樞紐。泵站裝有4 臺1.75ZLQc-6 型立式機械全調(diào)節(jié)軸流泵，泵站設(shè)計揚程6.8 m，單機流10.2 m3/s，總裝機容量4000 kW，泵站抽水能力41.3 m3/s，該工程規(guī)模屬大（2）型，水庫大壩采用混合壩，碾壓混凝土重力壩擋水壩位于主河床和左岸階地、右岸階地，壩頂高程910 m，最大壩高48 m，壩頂寬度8 m。黏土心墻壩與碾壓混凝土重力壩采用較為經(jīng)濟的插入式連接方法。根據(jù)華子泵站圖紙，選取兩個連接孔建立了有限元模型。泵站主體混凝土結(jié)構(gòu)長48 m，寬23 m，高13 m，流道結(jié)構(gòu)高6 m。泵站有限元模型見圖1。網(wǎng)格總數(shù)為76024 個，節(jié)點總數(shù)為88096 個。泵站坐標(biāo)原點位于進水流道頂部上表面，根據(jù)右手螺旋法則，Z 軸垂直，X軸指向當(dāng)前方向，Y 軸指向左岸。

圖1 華子泵站有限元模型

結(jié)構(gòu)底部的基礎(chǔ)材料主要為粉質(zhì)粘土，C30 混凝土用于樁基結(jié)構(gòu)，C25 混凝土用于墊層結(jié)構(gòu)。泵站主體結(jié)構(gòu)混凝土強度等級為C30，混凝土抗拉強度為3.0 MPa。在流道結(jié)構(gòu)下層混凝土中摻入抗拉纖維，可使其抗拉強度提高20%。流道結(jié)構(gòu)的極限抗拉強度達到3.6 MPa。各種材料的熱力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料的熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)

為了便于計算，將多年月平均氣溫擬合成余弦曲線：

式中：τ 為時間，月。

在溫度場的模擬計算中，地基的底面為絕熱邊界，上表面為散熱邊界。結(jié)構(gòu)的對稱面是絕熱邊界，施工臨時縫面，結(jié)構(gòu)永久縫面未覆蓋時為散熱邊界，覆蓋后為絕熱邊界，其他表面為散熱邊界。

在應(yīng)力場的模擬計算中，正常約束施加在基礎(chǔ)的周圍和底面上，而上表面是自由邊界。對結(jié)構(gòu)的對稱面施加法向約束，結(jié)構(gòu)永久接縫面為自由邊界，其他曲面是自由邊界。

3 計算條件及結(jié)果分析

3.1 渠道結(jié)構(gòu)分層澆筑條件

本條件系列包括泵站流道結(jié)構(gòu)分層澆筑兩種情況。流道結(jié)構(gòu)分為兩層，下部結(jié)構(gòu)高3 m，上部結(jié)構(gòu)高3 m，兩層間隔20 天。在案例1 中，上下層均未采取冷卻管措施。案例2 上層未采取冷卻管措施，下層進行水管冷卻。泵站主體結(jié)構(gòu)澆筑時間見表2。

表2 泵站分層澆筑進度計劃

采用有限元法對泵站主體結(jié)構(gòu)的施工期進行了模擬，在不同的澆筑方案下，可以得到泵站的最大拉應(yīng)力和最高溫度。本文選取進口流道中心段進行說明。

圖2 案例1 溫度分布圖和應(yīng)力分布圖

圖3 案例2 溫度分布圖和應(yīng)力分布圖

由圖2、圖3 可以看出分層澆筑時，下層混凝土使用冷卻管降溫，可將下層大部分混凝土最高溫度由65℃及以上溫度控制在60℃以下，此時下層混凝土最大應(yīng)力由4.39 MPa 以上降低至3.58 MPa，減少了0.81 MPa。說明控制混凝土溫度變化可以有效控制混凝土內(nèi)部應(yīng)力變化，通過分層、降溫澆筑可以有效降低內(nèi)部應(yīng)力最大值，從而防止混凝土內(nèi)部因溫度過高而發(fā)生開裂。

3.2 流道結(jié)構(gòu)整體澆筑條件

本條件系列包括泵站流道結(jié)構(gòu)整體澆筑兩種情況。在案例3 中，沒有采取冷卻管措施。在案例4 中，上層沒有采取冷卻管措施，但下層進行與案例2 相同的水管冷卻。泵站主體結(jié)構(gòu)澆筑時間見表3。

表3 泵站整體澆筑進度計劃

圖4 案例3 溫度分布圖和應(yīng)力分布圖

圖5 案例4 溫度分布圖和應(yīng)力分布圖

同混凝土分層澆筑相比，整體澆筑混凝土內(nèi)部溫度普遍較高，大部分處于65℃，當(dāng)下部混凝土進行冷卻時可以有效降低混凝土內(nèi)部溫度，從而使混凝土內(nèi)部應(yīng)力減小，由圖4、圖5 可以看出，當(dāng)使用冷卻管冷卻澆筑時，混凝土內(nèi)部最大應(yīng)力明顯減小，由4.51 MPa 降低至3.10 MPa，減少了1.41 MPa，效果比分層澆筑更加明顯。

3.3 特征點溫度及應(yīng)力分析

選擇進口流道下中段上的特征點1（X=8.2，Y=5.5，Z=-5.5） 和進口流道上中段上的特征點2（X=9.2，Y=5.5，Z=-3.01）。特征點的溫度分布圖和應(yīng)力分布圖見圖6、圖7。為比較溫度的變化，圖中混凝土的齡期為自身齡期，不考慮澆筑時間。

圖6 特征點1 應(yīng)力歷時曲線

表4 下部混凝土最大拉應(yīng)力 單位：MPa

從應(yīng)力歷時曲線可以看出，水管冷卻混凝土的早期應(yīng)力迅速增大。在相同溫控措施下，整體混凝土的最大拉應(yīng)力小于分層混凝土的最大拉應(yīng)力。在無水管冷卻條件下，下層混凝土的拉應(yīng)力超過允許拉應(yīng)力。整體混凝土的最大拉應(yīng)力大于分層混凝土。分層澆筑時，采取水管冷卻措施后，下層混凝土最大拉應(yīng)力降低0.81 MPa。整體澆筑時，采取水管冷卻措施后，下層混凝土最大拉應(yīng)力降低1.41 MPa。在溫控措施相同的情況下，采用整體澆筑法，可縮短工期20 d。

4 結(jié)論

綜上分析得出主要結(jié)果如下：

（1）溫度控制措施可能導(dǎo)致混凝土早期內(nèi)應(yīng)力迅速增大，但有利于降低最大拉應(yīng)力。

（2）與分層澆筑相比，如果不采用水冷方式，整體澆筑孔道會產(chǎn)生較高的拉應(yīng)力，但應(yīng)力增加幅度較小。

（3）如果采取相同的溫控措施，渠道下部混凝土一層6 m時最大拉應(yīng)力降低1.41 MPa，兩層3 m時最大拉應(yīng)力降低0.81 MPa。由此可見，溫控措施對厚層澆筑有較強的影響，可以降低殘余應(yīng)力，降低工期的時間成本。