三維約束條件下混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力仿真分析

鄧柏旺

摘要：為減少施工過程中大體積混凝土墩墻和底板溫度裂縫的產(chǎn)生，利用有限元分析軟件對(duì)三維約束條件下的大體積混凝土墩墻和底板進(jìn)行有限元溫度應(yīng)力仿真分析。分析了大體積混凝土墩墻和底板在三維約束條件下的溫度及應(yīng)力變化過程。結(jié)果表明：該工程混凝土結(jié)構(gòu)最高溫度和最大拉應(yīng)力發(fā)生在底板中心區(qū)域；三維約束區(qū)域側(cè)面約束點(diǎn)拉應(yīng)力較底板拉應(yīng)力顯著增大，有產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，重力作用將底部約束點(diǎn)拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)其可能出現(xiàn)的溫度裂縫分布情況，提出相關(guān)預(yù)防措施。研究成果可為類似工程提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三維約束條件； 大體積混凝土； 墩墻； 底板； 溫度應(yīng)力； 仿真分析

中圖法分類號(hào)：TV523

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.018

文章編號(hào)：1006-0081（2023）S2-0066-05

0 引 言

泵閘作為一種具有多重水利效用的混凝土構(gòu)筑物［1］，在平原地區(qū)廣泛應(yīng)用。與以往的大體積混凝土結(jié)構(gòu)相比，這類墻體混凝土結(jié)構(gòu)型式單薄、受力條件復(fù)雜，在施工期更容易出現(xiàn)溫度裂縫［2］。通過對(duì)國(guó)內(nèi)工程調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泵閘在施工期開裂較為普遍［3-5］。有關(guān)泵閘墩墻和底板混凝土結(jié)構(gòu)施工期間常規(guī)荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力、收縮應(yīng)力和徐變應(yīng)力非恒定時(shí)空問題的仿真求解受到學(xué)者廣泛關(guān)注［6］。

目前，國(guó)內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力以及溫控措施的研究已經(jīng)較為成熟，但對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)在空間各方向受約束時(shí)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布情況的研究較少［7-9］。本文選取張馬泵站工程為研究對(duì)象，結(jié)合該工程實(shí)際氣溫環(huán)境、材料特性參數(shù)以及站身主體底板及墩墻澆筑方案，對(duì)整個(gè)澆筑過程進(jìn)行了仿真模擬，分析施工期底板及墩墻的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)進(jìn)行了三維約束條件下混凝土的溫度、應(yīng)力分析，可為類似工程施工過程中采取裂縫控制措施提供參考［10～12］。

1 工程概況

張馬泵站工程位于上海市青浦區(qū)東泖河?xùn)|岸的西長(zhǎng)港支河口，張馬套閘南側(cè)。張馬泵站工程外河側(cè)堤防屬于太湖流域防洪工程，釆用50 a一遇洪水設(shè)計(jì)，100 a一遇洪水校核。泵站規(guī)模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等，建設(shè)規(guī)模為雙向引排水60 m3/s，泵站主要建筑物均為2級(jí)水工建筑物，其他永久性建筑物為3級(jí)水工建筑物，內(nèi)、外河圍堰等臨時(shí)性建筑物為4級(jí)水工建筑物。

張馬泵站工程墩墻高度為5.7 m，厚度0.4 m，底板厚度1.0 m，底板和墩墻分步施工。澆筑底板時(shí)，在底板與泵站流道層上部結(jié)構(gòu)墩墻位置預(yù)留深度為0.5～0.6 m槽口，該部分混凝土與泵站流道層墩墻一起澆筑。采用該種澆筑方式，不僅有利于提升混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和澆筑質(zhì)量，還便于進(jìn)行止水處理。

2 三維約束條件

在一般泵閘施工過程中，站身主體底板及墩墻需分兩次澆筑，在兩次澆筑之間必然會(huì)存在施工縫?，F(xiàn)有施工方法主要為以下兩種：① 在澆筑底板時(shí)帶起0.5 m左右高度的墩墻混凝土，將施工縫布置在墩墻上；② 在澆筑底板時(shí)將底板混凝土面澆平，后續(xù)在墩墻施工位置直接鑿毛作為施工縫。

第一種方法是目前施工中較常用方法，其優(yōu)點(diǎn)在于可以減弱底板對(duì)后澆墩墻的約束，釋放墩墻混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力，但在施工中需要注意施工縫處鑿毛質(zhì)量及止水措施，且施工分縫處墩墻受力（彎矩）較大。同時(shí)，此種方法對(duì)于進(jìn)出水流道復(fù)雜的泵站施工難度較大，且流道混凝土澆筑整體性較差。第二種方法主要應(yīng)用于進(jìn)出水流道復(fù)雜的泵站，適用于底板澆筑時(shí)流道層下部模板放置困難或流道層模板復(fù)雜而使?jié)仓鳂I(yè)面狹小、影響澆筑質(zhì)量的情況，其主要弊端在于不易控制施工縫質(zhì)量、施工縫處止水效果一般，且因底板約束較大，容易使上部墩墻混凝土產(chǎn)生裂縫。

根據(jù)該工程的基本情況，針對(duì)上述第二種澆筑方案，總結(jié)已有經(jīng)驗(yàn)，提出一種混凝土澆筑改進(jìn)方法：澆筑底板時(shí)，在底板與泵站流道層上部結(jié)構(gòu)墩墻位置預(yù)留深度為0.5～0.6 m槽口，該部分混凝土將與泵站流道層墩墻一起澆筑，以一弧形墩墻為例，底板及墩墻連接見圖1。此種混凝土澆筑方法可將施工縫留在底板內(nèi)側(cè)，增強(qiáng)底板與墩墻混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，且施工縫處上、下混凝土結(jié)構(gòu)之間的止水處理也很方便，能大大緩解因流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、底板澆筑操作面小等原因帶來的上、下兩層結(jié)構(gòu)澆筑質(zhì)量不高的問題。

針對(duì)該施工方法，墩墻新澆混凝土留有0.5～0.6 m 厚的凸齒置于底板內(nèi)。該部分混凝土因其位置特殊性，在水化凝結(jié)、強(qiáng)度不斷上升的過程中，自身膨脹、收縮變形均受到先澆底板混凝土、上部結(jié)構(gòu)后澆混凝土的約束，在空間上其約束邊界可認(rèn)為是三維的，這與現(xiàn)今主流施工方法底板上墩墻混凝土澆筑后的受力、約束特性有較大不同。因此，研究該部分混凝土在三維約束條件下的溫度及應(yīng)力變化過程，分析其可能出現(xiàn)的溫度裂縫分布情況，提出合理的防裂、限裂措施，可為該混凝土分縫澆筑方法的實(shí)際推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

3 泵閘結(jié)構(gòu)混凝土裂縫產(chǎn)生機(jī)理分析

泵閘結(jié)構(gòu)混凝土裂縫產(chǎn)生主要是因?yàn)榛炷羶?nèi)部拉應(yīng)力大于自身抗拉強(qiáng)度，造成這種情況的因素主要有：① 混凝土的收縮和溫差;② 混凝土的內(nèi)外約束。

混凝土裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)大不僅與自身澆筑溫度、強(qiáng)度、澆筑質(zhì)量、結(jié)構(gòu)形式、尺寸和環(huán)境溫度等有關(guān)，也與施工過程中所處的位置、拆模時(shí)間等密切相關(guān)。根據(jù)裂縫出現(xiàn)的時(shí)間劃分，主要可分為早期裂縫和后期裂縫兩類。

早期裂縫多數(shù)發(fā)生在澆筑初期3～4 d，裂縫的表現(xiàn)形式一般是“由表及里”型，跡線長(zhǎng)而高，啟裂點(diǎn)往往位于混凝土的表面，開裂的主要原因是內(nèi)外溫差。由于水泥的水化反應(yīng)，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)各個(gè)部位由于溫升不同引起體積變化，相互約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)部溫度溫升幅度大的混凝土膨脹變形受到外部混凝土的約束，在混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。表面裂縫出現(xiàn)后很可能向縱深發(fā)展，最終形成貫穿性裂縫或深層裂縫。因此，在施工期應(yīng)特別注意混凝土表面的防裂工作。

后期裂縫的出現(xiàn)主要是由于溫降收縮變形和外在約束聯(lián)合作用，其表現(xiàn)形式往往為“由里及表”型，跡線短、位置低。在混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到峰值后，溫度緩慢降低，早期的壓應(yīng)力將逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，越到后期溫降幅度越大，溫縮變形也就越大，混凝土內(nèi)部后期的拉應(yīng)力也越大。在混凝土溫升過程中，會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，無法抵消溫降階段產(chǎn)生的拉應(yīng)力，原因在于混凝土溫升階段彈性模量較小，單位溫升所產(chǎn)生的壓應(yīng)力較小；而在混凝土溫降階段，混凝土強(qiáng)度快速提高，彈模增大，單位溫降所產(chǎn)生的拉應(yīng)力就較大。因此，后期裂縫的啟裂點(diǎn)通常位于混凝土內(nèi)部。由于泵閘結(jié)構(gòu)墩墻混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的尺寸遠(yuǎn)大于厚度方向，結(jié)構(gòu)整體收縮表現(xiàn)出來的拉應(yīng)力也比較大，裂縫一旦出現(xiàn)都將是貫穿性的。

4 基本假設(shè)及邊界條件

本文進(jìn)行溫度應(yīng)力仿真分析時(shí)主要采用以下假設(shè)：① 環(huán)境溫度為恒溫條件；② 混凝土為均質(zhì)體，初始溫度及發(fā)熱形式相同；③ 采用分層澆筑的方式，首先進(jìn)行底板的施工，在底板上預(yù)留凹槽，達(dá)到強(qiáng)度要求后進(jìn)行上部墩墻結(jié)構(gòu)的施工。

本文在定義水化熱溫度場(chǎng)的過程中，主要采用以下幾種邊界條件：① 基礎(chǔ)邊界為固定約束條件；② 整個(gè)模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，本次模擬取一段具有代表性的墩墻進(jìn)行溫度應(yīng)力仿真分析，因此在y方向上需采取對(duì)稱邊界條件；③ 對(duì)流邊界條件分為兩個(gè)階段，底板施工階段以及墩墻施工階段，將兩階段與大氣表面直接接觸面定義為對(duì)流邊界；④ 墩墻施工階段，定義底板與墩墻的接觸面為熱傳導(dǎo)邊界。

5 溫度應(yīng)力模擬

5.1 建 模

進(jìn)行底板以及墩墻的建模工作，同時(shí)進(jìn)行六面體單元的分割，共劃分為1 450個(gè)六面體單元，六面體單元分割模型見圖2。底板和墩墻均采用C30混凝土澆筑，底板澆筑10 d后開始進(jìn)行混凝土墩墻的澆筑。

5.2 混凝土底板散熱分析

混凝土底板澆筑完成1 d左右，水化熱溫度達(dá)到最大值，底板中心點(diǎn)的最高溫度為58.17 ℃（未添加管冷），水化熱持續(xù)7 d左右后溫度趨于平穩(wěn)，恢復(fù)至20 ℃左右。在底板模型上選擇特征點(diǎn)位，包括底板表面中心溫度最高點(diǎn)N935以及底板內(nèi)部中心溫度最高點(diǎn)N649，混凝土底板特征點(diǎn)溫度時(shí)程圖和應(yīng)力時(shí)程圖見圖3～4。

從圖3和圖4可以看出：① 底板內(nèi)部中心點(diǎn)N649與底板表面中心點(diǎn)N935水化熱的溫差在26 h左右達(dá)到最大值，約20 ℃；② 底板混凝土溫度達(dá)到最大值后開始降溫，7 d后溫度恢復(fù)至20 ℃左右。③ 底板內(nèi)部中心點(diǎn)N649最大拉應(yīng)力發(fā)生在26 h左右，最大拉應(yīng)力為3.89 MPa；底板表面中心點(diǎn)N935最大拉應(yīng)力發(fā)生在26 h左右，最大拉應(yīng)力為1.20 MPa。

經(jīng)分析，由于底板厚度較大，混凝土內(nèi)產(chǎn)生熱量積聚，從而在內(nèi)部形成溫度應(yīng)力及溫度梯度。內(nèi)外溫差達(dá)到一定量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂。

5.3 混凝土墩墻散熱分析

混凝土底板澆筑完成后10 d，開始進(jìn)行混凝土墩墻的澆筑?；炷炼諌仓瓿? d左右，水化熱溫度達(dá)到最大值，墩墻中心點(diǎn)的最高溫度為57.16 ℃（未添加管冷），水化熱持續(xù)7 d左右后溫度趨于平穩(wěn)，恢復(fù)至20 ℃左右。在混凝土墩墻模型上選擇特征點(diǎn)位，取其溫度值最高值，包括墩墻迎水側(cè)表面中心點(diǎn)N1380、墩墻內(nèi)部中心點(diǎn)N1385以及墩墻背水側(cè)表面中心點(diǎn)N1331?；炷炼諌μ卣鼽c(diǎn)溫度時(shí)程圖和應(yīng)力時(shí)程圖見圖5～6。

從混凝土墩墻特征點(diǎn)溫度時(shí)程圖可以看出：① 墩墻內(nèi)部中心點(diǎn)N1385水化熱的溫度在澆筑后26 h左右與墩墻迎水側(cè)表面中心點(diǎn)N1380水化熱的溫差達(dá)到最大值，溫差最大值約18 ℃；② 墩墻內(nèi)部中心點(diǎn)N1385水化熱的溫度在澆筑后26 h左右與墩墻背水側(cè)表面中心點(diǎn)N1331水化熱的溫差達(dá)到最大值，溫差最大值約20 ℃；③ 混凝土墩墻溫度達(dá)到最大值后開始降溫，澆筑后7 d后溫度恢復(fù)至20 ℃左右。④ 墩墻內(nèi)部中心點(diǎn)N1385最大拉應(yīng)力發(fā)生在澆筑后26 h左右，最大拉應(yīng)力為1.82 MPa。

經(jīng)分析，由于墩墻厚度小于底板厚度，在墩墻混凝土內(nèi)部形成溫度應(yīng)力及溫度梯度均小于底板處。

5.4 三維約束條件下混凝土結(jié)構(gòu)散熱分析

三維約束區(qū)域主要是墩墻和底板結(jié)合部位，在三維約束區(qū)域選擇特征點(diǎn)位，取溫度值最高值，包括背水側(cè)約束點(diǎn)N863、N720，底部約束點(diǎn)N577、N1003及N1004，以及迎水側(cè)約束點(diǎn)N1201、N1266。三維約束特征點(diǎn)溫度時(shí)程圖、側(cè)面約束點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程圖、底部約束點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程圖見圖7～9。

根據(jù)圖7可以看出，在底板澆筑后水化熱發(fā)生期間，特征點(diǎn)溫度在26 h左右達(dá)到最高值，為30.00～42.52 ℃；在墩墻澆筑結(jié)束后26 h左右，水化熱達(dá)到最大值，為30.00～36.50 ℃。由于墩墻澆筑時(shí)，底板的水化熱反應(yīng)已完全結(jié)束，底板可以默認(rèn)為固定溫度狀態(tài)，因此三維約束點(diǎn)溫度上升速度減緩；

根據(jù)圖8，與底板澆筑期間最大拉應(yīng)力相比，墩墻澆筑期間側(cè)面約束點(diǎn)最大拉應(yīng)力顯著增大，最大拉應(yīng)力值為2.00～3.00 MPa；

根據(jù)圖9可以看到，墩墻澆筑期間底部約束點(diǎn)無拉應(yīng)力，因此墩墻澆筑期間，底部約束點(diǎn)產(chǎn)生裂縫的可能性較低。

經(jīng)分析，受三維約束空間環(huán)境的限制，該區(qū)域混凝土自身膨脹、收縮變形均受到先澆底板混凝土、上部結(jié)構(gòu)后澆混凝土的約束，受力情況復(fù)雜。與底板澆筑期間最大拉應(yīng)力相比，三維約束區(qū)域側(cè)面約束點(diǎn)拉應(yīng)力顯著增加，有產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。受墩墻重力影響，與底板澆筑期間相比，底部約束點(diǎn)拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，墩墻澆筑期間，底部約束點(diǎn)無拉應(yīng)力，因此墩墻澆筑期間，底部約束點(diǎn)產(chǎn)生裂縫的可能性較低。

6 結(jié) 論

通過對(duì)張馬泵站工程三維約束條件下墩墻及底板的有限元溫度應(yīng)力全過程的模擬分析，總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)易發(fā)生裂縫的薄弱點(diǎn)，可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)混凝土結(jié)構(gòu)施工，達(dá)到工程底板、墩墻的降溫及裂縫控制要求。根據(jù)有限元分析結(jié)果，得到以下結(jié)論：① 該工程底板和墩墻澆筑期間，最高溫度和最大拉應(yīng)力發(fā)生在底板中心區(qū)域，極易產(chǎn)生溫度裂縫；② 與底板澆筑期間最大拉應(yīng)力相比，三維約束區(qū)域側(cè)面約束點(diǎn)拉應(yīng)力顯著增加，有產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)；③ 墩墻澆筑期間，底部約束點(diǎn)無拉應(yīng)力，因此該期間底部約束點(diǎn)產(chǎn)生裂縫的可能性較低。

綜上所述，針對(duì)張馬泵站底板和墩墻施工，推薦采取以下措施：底板中心是產(chǎn)生裂縫的重點(diǎn)區(qū)域，施工中應(yīng)采取有效的降溫措施，包括嚴(yán)格控制入倉(cāng)溫度、優(yōu)化布設(shè)冷卻水管等；三維約束區(qū)域側(cè)面區(qū)域是產(chǎn)生裂縫的重點(diǎn)區(qū)域，第一階段施工完成后，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)側(cè)面區(qū)域的養(yǎng)護(hù)。

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