泵闸工程施工期温度应力数值仿真分析

2016-11-25郭高贵

城市道桥与防洪 2016年2期

关键词：闸墩施工期温度场

郭高贵，许朴

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

泵闸工程施工期温度应力数值仿真分析

郭高贵，许朴

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

水闸、泵站与大坝工程相比，其混凝土体积相对较小，但结构体形复杂、结构单元间体积变化大。因而，在其施工期，混凝土的开裂问题普遍存在，且至今尚未得到很好的解决。针对这个问题，现依托上海地区某一具体泵闸工程，借助混凝土温度与应力仿真计算的理论与方法，阐述了施工期水闸、泵站混凝土的应力变化规律与开裂机理。其内容可供泵闸工程设计参考。

水闸；泵站；水工混凝土；施工期；开裂问题；温度应力；数值仿真分析；上海市

1　概述

水闸、泵站作为典型的水工建筑物结构形式，在平原地区的防洪、排涝、灌溉、输水等工程中得到广泛应用。与大坝工程相比，水闸、泵站混凝土体积相对较小，但结构形体复杂、结构单元间体积变化大。实践表明，水闸和泵站工程施工期混凝土的开裂问题普遍存在，且至今尚未很好解决。近年来随着泵送混凝土的广泛应用，问题更加突出，几乎所有在建工程都存在裂缝问题，严重困扰工程的建设。

针对这些问题，本文依托上海地区某一具体泵闸工程，借助混凝土温度与应力仿真计算的理论与方法，阐述了施工期水闸、泵站混凝土的应力变化规律与开裂机理，为泵闸设计提供重要的参考依据。

2　混凝土温度场和应力场理论与方法

2.1非稳定温度场基本理论及其有限单元法

假设混凝土为各向同性的均匀固体，根据热量平衡方程原理，可得热流量与混凝土温度梯度的关系：

式中：T代表混凝土温度，℃；q代表热流量；k代表导热系数，kJ/(m·h·℃)。

根据热量平衡原理，可得各向同性均匀的混凝土热传导方程为：

式中：a代表导温系数，m2/h，这里

2.2温度场的有限元求解

依据变分原理，可得温度场求解的泛函如下：

混凝土温度场求解时，在空间域采用有限单元法，在时间域采用向后差分法。结合泛函的极值条件可得混凝土温度场计算的如下式所示的递推方程，并据此由上一时刻混凝土的温度场{T}n推求下一时刻的温度场{T}n+1：

式中，{Tn}和{Tn+1}代表全域内各节点的温度值。

3　应力场基本理论及其有限单元法

3.1基本方程

根据相关资料和理论，可知计算混凝土应力场时，复杂应力状态下的应变增量主要包括弹性、温度、干缩、自生体积变形和徐变等应变增量，即：其中分别代表弹性、温度、自生体积、徐变和干缩应变增量。

3.2应力场的有限元求解

根据弹性力学有限单元法基本理论，可得在任一域Ri上的任一时段Δti的有限元控制方程为：。其中分别为外荷载、温变、徐变、自生体积变形、干缩变形引起的结点荷载增量。

4　施工期泵闸工程温度应力数值仿真分析

4.1仿真模型及计算结果

现参考上海地区某一泵闸工程的尺寸，建立了一个包含底板和闸墩墙体结构的仿真计算模型，气象条件和混凝土材料的热学及力学特性也均参考该泵闸工程。假设该结构位于软基上，底板和闸墩长20m，底板厚2m，宽11.5m，闸墩墙体厚1.5m，高10 m。施工分为典型常见的两层法——底板+50 cm高的贴角+20 cm高的墙体作为第一层，间歇10 d后浇筑第二层的墙体结构一步到顶，计算网格如图1所示。整个结构均采用C30泵送混凝土，主体工程在严寒季节施工，混凝土的温控防裂任务十分艰巨。

图1　仿真计算网格示意图

混凝土的主要热学与力学参数见表1、表2所列。

表1　混凝土主要热学参数表

表2　混凝土主要力学参数

模板采用实际工程中最常用的钢模板，不考虑昼夜温差，研究墙体结构温度和应力的时空变化过程。

特征点距闸底板上表面2.0 m，长度方向上位于闸墩中间，厚度方向上1号点位于闸墩中心，依次向外，4号点位于外表面。据闸墩内外特征点历时曲线图（见图2）可知，混凝土在浇筑后温度急剧上升，并在1.5 d龄期左右达到峰值且产生高达约17.0℃的内外温差，这一阶段混凝土表面受拉内部受压，由表及里，拉应力逐渐减小，且逐渐转化为压应力，压应力则逐渐增大，在1.5 d龄期左右拉压应力均达到最大值，此时混凝土表面承受约0.85 MPa的拉应力，大于即时允许抗拉强度约0.57 MPa；此后混凝土温度逐渐下降，在约5 d龄期时混凝土表面开始受压内部受拉，且均随龄期逐渐增加，直至闸墩混凝土在15 d龄期左右降温趋于平缓，内外应力发展也才趋于稳定。

图2　闸墩特征点温度及应力历时曲线图

闸墩早期温升阶段外表面和后期温降阶段中心面应力空间分布见图3所示。混凝土早期温升阶段，闸墩外表面承受拉应力，最大拉应力区分布范围较大，在长度和高度方向上均位于闸墩中部，注意到门槽部位因结构突变承受较大拉应力。混凝土后期温降阶段，闸墩内部基本受拉，与温升阶段相比，最大拉应力区分布相对集中，在高度方向上明显下移，位于闸墩长度方向的中部且越靠近底板应力梯度越大。

4.2数值分析于泵闸设计中的应用

由上述的数值仿真计算结果及分析可知，泵闸结构出现温度裂缝一般有两个时期：浇筑早期（即混凝土浇筑完前5 d）及浇筑后期（温降期）。

图3　闸墩不同时刻各剖面应力等值线图（单位：MPa）

浇筑早期：温度裂缝一般出现于结构的表面（泵闸底板、墩墙及侧墙等表面，尤其需注意闸门门槽），故在泵闸配筋设计中，需特别注意这些部位的配筋，建议在保证配筋率的前提下，尽量采用密排布置钢筋，即适当减少钢筋的直径而加密钢筋的间距（不论受力筋与分布筋），以此来最大可能地防止温度裂缝的产生或限制温度裂缝的开展宽度及深度。

浇筑后期（温降期）：温度裂缝一般出现于底板底部及墩墙与底板交界处，其中底板底部的温度裂缝一般由于地基的约束与底板自身的温降收缩共同作用的结果，而墩墙及底板交界处的温度裂缝则由于底板的约束与墩墙混凝土的温降收缩共同作用而出现（泵闸施工过程中一般底板与墩墙分期施工，底板相对于墩墙就形成了“老混凝土”约束面）。

因此，在泵闸底板配筋设计中，需适当加强底板底层受力筋，并尽量采取密排布置的方式（对分布筋，建议也采用相对密排布置）；而在底板与墩墙交界处，建议加密这些部位底板顶面表层受力筋（可考虑专门布置温度应力筋），并在墩墙两侧一定范围内（1～2 m）密排布置分布钢筋同时加强墩墙一定高度（底板以上2.0 m左右）内受力筋。