化子閘泵站施工期混凝土溫控防裂技術(shù)分析

許 樸

（上海友為工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200093）

1 問題的提出

化子閘泵站為寧波市姚江東排分洪工程3 級(jí)接力泵站的中間1 級(jí)接力泵站，設(shè)計(jì)排澇流量為150.0 m3/s，布置4 臺(tái)單泵37.5 m3/s 的豎井貫流泵。泵站采用無永久縫設(shè)計(jì)，站身垂直水流方向總寬度45.20 m，順?biāo)鞣较蚩傞L度47.40 m。泵站變截面底板最小厚度2.00 m，最大厚度4.46 m，進(jìn)出水流道邊墩厚為1.60 m，中墩厚為2.00 m。泵站流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，墩墻較多且相互約束，而澆筑混凝土采用C30 泵送混凝土，水泥用量大，絕熱溫升高，施工期極易產(chǎn)生裂縫。

本文依托化子閘泵站工程，以有限元仿真計(jì)算作為數(shù)值分析手段，進(jìn)行泵站混凝土施工期非穩(wěn)定溫度應(yīng)力場(chǎng)的仿真計(jì)算，分析不同施工條件下，其溫度應(yīng)力分布與變化規(guī)律，采取綜合性聯(lián)合防裂措施，避免混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生，保障混凝土的澆筑質(zhì)量，同時(shí)為今后類似項(xiàng)目提供工程參照。

對(duì)于泵站底板、墩墻及流道大體積混凝土施工期溫控防裂技術(shù)分析，已有人做了很多探索：馬躍峰[1]依托臺(tái)兒莊泵站，分析泵站混凝土開裂機(jī)理，找出溫控防裂關(guān)鍵部位并提出針對(duì)性防裂措施；乜樹強(qiáng)等[2]就高溫季節(jié)泵站泵送混凝土施工提出表面保溫和內(nèi)部水管降溫的雙重溫控防裂措施。陳守開等[3]提出采用水管冷卻、表面保溫和設(shè)置砌體等措施來避免墩墻混凝土開裂。陸銀軍[4]以洪澤泵站為例提出“控制澆筑溫度+塑料管冷卻+拆模后的表面保溫”等有效防裂措施。江敏敏等[5]以化子閘泵站為計(jì)算模型，就不同溫控措施進(jìn)行敏感性分析，尋求合理溫控防裂方案。

2 仿真計(jì)算原理

混凝土非穩(wěn)定溫度場(chǎng)T（x，y，z，t）必須滿足熱傳導(dǎo)控制方程[6]

式中：T為溫度（℃）；t為時(shí)間（d）；τ為齡期（d）；θ為混凝土絕熱溫升（℃）；α為導(dǎo)溫系數(shù)（m2/h）。

混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)變?cè)隽啃铦M足[6]：

仿真計(jì)算的初始、邊界條件設(shè)定參考值[6]，并選用基于水化熱的混凝土絕熱溫升模型[7]，當(dāng)布置水管通水冷卻時(shí)，采用水管離散的混凝土溫度場(chǎng)迭代計(jì)算[8]。

3 工程應(yīng)用分析

3.1 計(jì)算模型及條件

3.1.1 計(jì)算模型

選取化子閘泵站其中兩聯(lián)孔建立有限元計(jì)算網(wǎng)格模型，有限元模型單元總數(shù)為76 024 個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為88 096 個(gè)（見圖1）。通過合理的邊界條件進(jìn)行仿真分析，非穩(wěn)定溫度場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí)，地基的四周和底面、結(jié)構(gòu)對(duì)稱面為絕熱邊界；施工臨時(shí)縫面未覆蓋時(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(chǎng)仿真計(jì)算時(shí)，地基的四周及底面、結(jié)構(gòu)對(duì)稱面為法向約束，其他表面為自由邊界。

圖1 有限元計(jì)算模型網(wǎng)格圖

3.1.2 特征點(diǎn)及剖面布置

選取3 個(gè)特征剖面，分析泵站底板、流道及墩墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部的最高溫度和最大拉應(yīng)力。具體位置見圖2；根據(jù)溫度場(chǎng)分布規(guī)律，選取4 個(gè)特征點(diǎn)，位置示意見圖3。

圖2 特征剖面位置圖 單位：m

圖3 特征點(diǎn)位置示意圖

3.1.3 仿真計(jì)算參數(shù)

根據(jù)廠家提供的商品混凝土配合比的試驗(yàn)結(jié)果，泵站混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)見表2?；炷翝仓M(jìn)度見表3。

表1 泵站混凝土配合比表

表2 混凝土計(jì)算參數(shù)表

表3 澆筑進(jìn)度表

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

化子閘泵站工程泵站底板、墩墻及流道混凝土施工過程中，采取了“表面保溫+水管冷卻+設(shè)置后澆帶”的聯(lián)合溫控措施。本文僅就基礎(chǔ)工況（計(jì)算工況1）和實(shí)際應(yīng)用工況（計(jì)算工況2）進(jìn)行仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析。

計(jì)算工況1：無溫控措施。拆模前（齡期前7 d）混凝土表面有木模板。

計(jì)算工況2：在工況1 基礎(chǔ)上，在混凝土施工過程中采用水管通水冷卻14 d 進(jìn)行內(nèi)部降溫；在水泵井與進(jìn)水流道交接處的底板及邊墩位置設(shè)置后澆帶施工縫，澆筑42 d 后封閉；拆模后采取覆蓋保溫層的方式進(jìn)行表面保溫7 d。

特征剖面處的溫度與應(yīng)力包絡(luò)見圖4～7；特征點(diǎn)溫度與應(yīng)力（第一主應(yīng)力）歷時(shí)曲線見圖8～9。

圖4 計(jì)算工況1 x =10.0 m處溫度及應(yīng)力包絡(luò)圖 單位：℃/MPa

圖5 計(jì)算工況2 x =10.0 m處溫度及應(yīng)力包絡(luò)圖 單位：℃/MPa

圖6 計(jì)算工況1 y =11.0 m處溫度及應(yīng)力包絡(luò)圖 單位：℃/MPa

圖7 計(jì)算工況2 y =11.0 m處溫度及應(yīng)力包絡(luò)圖 單位：℃/MPa

圖8 特征點(diǎn)1、2溫度及應(yīng)力歷時(shí)曲線圖

圖9 特征點(diǎn)3、4溫度及應(yīng)力歷時(shí)曲線圖

根據(jù)工況1 的計(jì)算結(jié)果：在無任何溫控措施的情況下，底板混凝土由于在冬季澆筑，環(huán)境溫度低，澆筑溫度低且混凝土水化放熱量慢，底板內(nèi)部應(yīng)力未達(dá)到允許抗拉強(qiáng)度。表層混凝土由于沒有保溫措施受到環(huán)境溫度影響大，混凝土表面在拆模后，散熱過快導(dǎo)致拉應(yīng)力驟升，以特征點(diǎn)2 為例，拉應(yīng)力達(dá)到1.92 MPa，超過即時(shí)允許抗拉強(qiáng)度1.85 MPa，因此底板早期表面存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。

側(cè)墩墻在4 月份澆筑，由特征剖面溫度包絡(luò)圖4～5 可見，由于側(cè)墩墻內(nèi)部有預(yù)制砌體結(jié)構(gòu)，減少了混凝土的澆筑方量，降低了水化熱。流道混凝土在高溫季節(jié)7—8 月澆筑，在較高環(huán)境溫度的條件下，澆筑入倉溫度高且混凝土水化反應(yīng)充分，放熱量大，溫度峰值相應(yīng)增大，最高溫度達(dá)到70.0 ℃。溫降階段，側(cè)墩墻以及流道混凝土在齡期90 d 左右，拉應(yīng)力達(dá)到峰值，以特征點(diǎn)3 為例達(dá)到2.64 MPa，超過允許抗拉強(qiáng)度2.20 MPa，很大可能出現(xiàn)溫度裂縫。從特征剖面應(yīng)力包絡(luò)圖4～5 可見，泵站流道混凝土內(nèi)部近底板強(qiáng)約束區(qū)最大拉應(yīng)力達(dá)到3.60 MPa，甚至大于混凝土的抗拉強(qiáng)度3.30 MPa，開裂風(fēng)險(xiǎn)極大。

根據(jù)工況2 的計(jì)算結(jié)果：在聯(lián)合溫控防裂措施下，泵站底板、墩墻及流道混凝土的最高溫度有很大的下降。特征點(diǎn)1、2 溫度峰值由42.11，42.07 ℃分別降至38.78，38.07 ℃，最大內(nèi)外溫差也由14.32 ℃降為12.38 ℃。特征點(diǎn)3、4，溫度峰值分別從52.55，46.54 ℃降為40.08，36.52 ℃，最大內(nèi)外溫差也由11.57 ℃降為4.59 ℃。

相應(yīng)的泵站底板、墩墻及流道混凝土出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力也有顯著降低，除了局部結(jié)構(gòu)突變處，后澆帶連接處等應(yīng)力集中區(qū)域外，基本都在混凝土的允許拉應(yīng)力范圍之內(nèi)，開裂風(fēng)險(xiǎn)極大地降低。

特征點(diǎn)2 早期拉應(yīng)力峰值從1.92 MPa 降為1.66 MPa，小于即時(shí)允許抗拉強(qiáng)度1.85 MPa，該區(qū)域底板表層開裂風(fēng)險(xiǎn)消除。特征點(diǎn)3 后期拉應(yīng)力峰值從2.54 MPa 降至1.53 MPa，小于即時(shí)允許抗拉強(qiáng)度2.20 MPa，同樣基本消除了該區(qū)域墩墻內(nèi)部混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，采取適當(dāng)“表面保溫+合理水管冷卻+后澆帶”三者聯(lián)合溫控措施，可以有效降低內(nèi)部溫度和減小內(nèi)外溫差，控制結(jié)構(gòu)的約束條件，防止泵站混凝土早期和后期裂縫的產(chǎn)生。

4 結(jié) 語

（1）化子閘泵站采用無永久縫設(shè)計(jì)，泵站流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，混凝土澆筑塊規(guī)模大、尺寸長，溫控防裂有較大的困難，因此，混凝土澆筑前非常有必要對(duì)泵站結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算，針對(duì)性地提出切實(shí)可行的溫控防裂技術(shù)方案。

（2）本工程泵站底板、墩墻、流道混凝土在2018 年1—9 月澆筑，經(jīng)歷多次寒潮侵襲，到目前為止，泵站底板未發(fā)現(xiàn)明顯可見裂縫，墩墻及流道混凝土結(jié)構(gòu)局部有表層干縮裂縫，但未發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫，因此，施工過程中采用科學(xué)可行的溫控防裂措施后，可實(shí)現(xiàn)預(yù)期防裂目標(biāo)。

（3）控制溫差（內(nèi)外溫差、基礎(chǔ)溫差）與減少結(jié)構(gòu)變形約束是防止施工期泵站混凝土結(jié)構(gòu)開裂的關(guān)鍵，“表面適度保溫+內(nèi)部可控降溫+合理控制結(jié)構(gòu)約束長度”的聯(lián)合溫控防裂方法是切實(shí)可行的。針對(duì)具體工程，在此基礎(chǔ)上輔以其他控制變形量和減弱約束作用的抗裂方法，值得推廣運(yùn)用。