大型泵站底板集水井层混凝土温度与应力仿真研究

第３４卷第４期　２０１３年８月　华北水利水　电学院学报　ＶＯＩ＿３４　ＮＯ．４　Ａｕｇ．２０１　３　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—５６３４．２０１３．０４．０１０　大型泵站底板集水井层混凝土温度与应力仿真研究　陈　祥　，陈建龙　，陈守开　，郭　磊　（１．南通市水利勘测设计研究院有限公司，江苏南通２２６００６；２．华北水利水电大学，河南郑州４５００４５）　摘要：针对大型泵站底板集水井层混凝土受底部及侧面双约束且采用台阶式施工的特点，开展集水井层混凝土　施工期温度和应力的全过程动态仿真研究．依托某大型泵站工程，根据其各结构的施工特点，进行三维有　限元建模，并采用三维不稳定温度场和应力场仿真计算理论，对集水井层混凝土进行仿真计算，主要分析　其施工期的温度和应力变化及分布情况．结果表明，台阶式浇筑有利于混凝土散热，但不同浇筑时刻其散　热强度差别较大，应注意选择合理的浇筑时段．　关键词：泵站；底板；集水井层；混凝土；仿真；温度；应力　中图分类号：ＴＶ３１５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—５６３４（２０１３）０４—００３８—０３　如何防止混凝土裂缝的形成和发展　。　是建设　利用变分原理，对式（１）采用空间域离散，时间　方、设计方和施工方都极为关注的关键技术问题，也　是目前学术界研究的热点之一．水工混凝土裂缝的　形成主要是由于应力引起的　，因此仿真计算通常　围绕混凝土所产生的应力来评价结构开裂的可能　性，则问题转化为求解混凝土温度场与应力场以及　域差分，引入初始条件和边界条件后，可得向后差分　的温度场有限元计算递推方程．　１．２应力场基本理论　混凝土在复杂应力状态下的应变增量　为　｛Ａｅ　｝＝｛△　：｝＋｛△　：｝＋｛△　：｝＋｛△占：｝＋｛△　：｝　ｆ　２、　其他能产生应力的因素　。　．目前，仿真手段主要仍　是有限单元法，其计算理论仍采用傅里叶热传导定　律和能量守恒方程　．　式中：｛△ｓ：｝为弹性应变增量；｛△　为徐变应变增　量；｛△８　为温度应变增量；｛△ｓ　｝为干缩应变增　笔者依托某大型泵站工程，采用三维不稳定温　度场和应力场仿真计算有限元方法　以及生死单　元法，对该工程集水井层混凝土的台阶式施工方法　量；｛Ａｅ：｝为白生体积应变增量．　根据式（２），由物理方程、几何方程和平衡方程　可得任一时段计算域有限元支配方程．　进行温度和应力的全过程仿真研究．　２　工程实例　２．１　工程简介及计算模型　１　基本原理和方法　１．１　不稳定温度场基本理论和有限元方法　某大型泵站设计抽水流量１００　ｍ　／ｓ，采用堤身　式站身方案，平直管进出水流道．泵站采用整体块基　型结构，底板顺水向３４．００　１ＴＩ，垂直水流向５４．７８　Ｉｎ，　底板厚度１．５～１．７　ＩＴＩ，局部最厚处４．０　１３１，在垂直水　在计算域Ｒ内任何一点处，不稳定温度场Ｔ（　，　Ｙ，ｚ，ｔ）须满足热传导方程　ＯＴ＝。（窘＋雾　０　２ＴＩ　Ｏ０　（１）　流向居中设一条宽２　ｃｍ的沉降缝将底板分为２块，　每个板块宽２７．４　Ｉｎ．上游出水段底板面高程　２．１７１　ｍ，下游进水段底板面高程２．４２０　ｍ，厂房中　式中：　为温度，℃；０为导温系数，１ＴＩ　／ｈ；０为混凝土　绝热温升，ｏＣ；ｔ为时间，ｄ；　为龄期，ｄ．　收稿日期：２０１３—０３—０６　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０７７９０１０，５ｌ１０９０８１）；河南省教育厅科学技术研究重点项目（１２Ａ５７０００２）　作者简介：陈祥（１９７９一），男，江苏南通人，工程师，主要从事水工结构工程方面的研究．　陈守开（１９８０一），男，浙江温州人，讲师，博士，主要从事水工结构仿真方面的研究．　郭磊（１９８０一），男，河南信阳人，副教授，博士，主要从事混凝土结构温控防裂方面的研究．　第３４卷第４期　陈祥，等：　大型泵站底板集水井层混凝土温度与应力仿真研究　３９　间段底板面高程０．４７１　ｍ，底板以上依次为流道层、　电缆夹层、变频器层至厂房地面１４．４　ｍ，拟分层、分　块施工．整体网格如图１所示，其中节点总数７７　５１１　表１　Ｃ２５混凝土配合比　ｋｇ／ｍ　个，单元总数７０　１３０个．　图１泵站整体计算网格　本次重点研究集水井层，其施工方法采用台阶　式入仓方式，底部和上、下游均受基础约束，因此计　算时屏蔽集水井层上部结构的所有网格信息，即仅　选择部分地基、垫层混凝土和集水井层混凝土（图　２）作为仿真计算网格对象，计算网格节点总数８　８７３　个，单元总数７　３１０个，其中五面体单元４０个，其余　均为六面体等参单元．同时，计算采用生死单元法来　模拟台阶式浇筑全过程（图３）．　图２集水井层计算网格　图３　台阶式浇筑有限元模拟过程　２．２仿真条件　集水井层浇筑时间为某日上午９：Ｏ０至次日上　午９：Ｏ０．各浇筑块的施工全过程模拟利用生死单元　法，其中，初始激活的单元为该时刻浇筑的混凝土　块，赋予其初始温度为环境温度加３℃，如此实现对　台阶法入仓的全过程模拟．此外，在集水井层浇筑后　７　ｄ内考虑昼夜温差１４℃；环境温度按多年月平均　气温拟合．集水井层外侧采用１．７　ｃｍ厚竹胶模板，　受现场施工进度的影响，浇筑结束１　ｄ后拆模．浇筑　仓面裸露，内部不埋设冷却水管．计算时地基和混凝　土热力学模型及参数均由按初步设计要求或混凝土　配合比（见表１）估算获取．　２．３仿真结果分析　采用台阶式浇筑，使混凝土与空气的接触面增　大．在整个台阶式浇筑过程中，由于每个浇筑块的浇　筑时间不同，考虑日气温变化的影响，各浇筑块的浇　筑温度和散热速度均不相同，白天浇筑温度较高且　吸热，夜间浇筑温度较低且散热．为此，特征点选取　考虑在集水井层约束较强的中部截面，分别在表面　（点５）、内部（点２，３，４）和底部（点１）选择５个特　征点，其中３个内部特征点分别选择在日气温较高、　较低和平均时段浇筑的部位．各特征点温度历时曲　线如图４所示．　６０１－　一点１；一点２；一点３；＋点４；一点５　釜薰　龄期／ｄ　图４各特征点温度历时曲线　由图４可知，远表面点４所在的浇筑块在中午　浇筑，受气温和日照的影响大，因此浇筑温度高达　２９　ｃＣ，并且根据温度对水化反应程度的影响，其水　化反应加快，该点最先达到最高温度４９．６℃，又因　为点４距离表面较近，后期散热快；而内部点２所在　的浇筑块在夜间浇筑，此时气温较低，入仓温度高于　环境温度，表面散热速度快，相当于降低了浇筑温度　和水泥水化反应速度，因此点２的最高温度反而较　低，仅４７．１℃，接近点３的最高温度（４６．６℃），也　比远表面点４低了２．５℃．由于下表面点ｌ接近地　基（距离地基仅５　ｃｍ），开始时混凝土温度高于地基　温度，向地基传热，且其所在浇筑块在夜间浇筑，故　其最高温度也最小，仅３９．７℃，这也导致下表层　（接近地基部分）混凝土水化反应速度变慢，出现的　最高温度时间相对比较滞后．从温度分布来看，集水　井层高温区主要分布在中部偏下，最高４５～４９℃，　如图５所示．　最高温度：４８．９７℃：最低温度：２６．９４℃　图５浇筑完４　ｄ后中剖面的温度分布（单位：℃）　早龄期混凝土的较大抗拉强度出现在表面，最　４０　华北水利水电学院学报　２０１　３年８月　大可达０．９　ＭＰａ以上，如图６所示　最大应力：１．３１　ＭＰａ；最小应力：＿０．３９　ＭＰａ　３　结　语　采用混凝土三维非稳定温度场和应力场有限元　仿真计算方法，对某大型泵站集水井层混凝土的施　工全过程进行仿真研究，主要结论如下．　１）集水井层采用台阶施工方法，并采用精细网　图６浇筑完４　ｄ后中剖面的应力分布（单位：ＭＰａ）　格剖分技术和生死单元法实现对其施工全过程的动　各特征点第一主应力历时曲线如图７所示．　态模拟，计算效率较好，结果满足一般规律．　２）台阶式浇筑扩大了混凝土表面的散热面，有　利于降低早期混凝土的温度．但是在不同浇筑时刻，　日　其散热的强度差别较大，建议在夜间或清晨浇筑受　约束大的部位和结构中部．同时也应该注意在白天　气温高时段浇筑时，注意仓面遮阳防晒．　龄期／ｄ　－ｏｌ　一图７各特征点第一应力历时曲线　参　考　文　献　［１］包日新．混凝土坝裂缝的危害、成因及防治［Ｊ］．水利水　电工程，１９９０（１）：４０—３５．　早期混凝土弹性模量较小，表面点５受日气温　变化影响，导致表面应力波动较大，在龄期１．７５　ｄ　至龄期２　ｄ，其拉应力（２　ｄ时的拉应力０．４３　ＭＰａ）超　过混凝土即时允许抗拉强度（０．３８　ＭＰａ），在这段时　间里表面容易首先出现裂缝．随着混凝土抗拉强度　的增长，这种拉应力的影响变小；下表面点１接近软　［２］富文权，韩素芳．混凝土工程裂缝预防与控制［Ｍ］．北　京：中国铁道出版社，２００７．　［３］冯乃谦，顾晴霞，郝挺宇．混凝土结构的裂缝与对策　［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００６．　基，温度变化幅度小，早期应力不大且变化也较小，　随着混凝土弹性模量的增长，受上层混凝土的约束　增加，后期应力增长较快；特征点２，３，４早期温升较　快，混凝土膨胀，处于压应力状态，最大压应力分别　［４］吉顺文．高拱坝施工和初运行期裂缝成因及防裂方法　研究［Ｄ］．南京：河海大学，２００９．　［５］马跃峰．基于水化度的混凝土温度与应力研究［Ｄ］．南　京：河海大学．２００６．　［６］陈守开，马大仲，郭利霞，等．堆石坝面板混凝土施１二期　温度和应力全坝段仿真分析［Ｊ］．华北水利水电学院学　报，２０１２，３３（３）：９—１２．　为０．２４，０．２８，０．３７　ＭＰａ，降温期混凝土开始收缩，　压应力逐渐减小，但因为特征点４仅受底面地基约　束，拉应力增长较缓，特征点２，３受底面和侧面两向　地基约束，拉应力增长较快，如果不采取一定的温控　措施，特征点２和特征点３可能出现由里及表型裂缝．　［７］朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制［Ｍ］．北　京：中国电力出版社，１９９８．　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｗａｔｅｒ—ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　Ｗｅｌｌ　Ｌａｙｅｒ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ　Ｐｕｍｐ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ｂａｓｅ　Ｐｌａｔｅ　ｄｕｒｉｎｇ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ＣＨＥＮ　Ｘｉａｎｇ　，ＣＨＥＮ　Ｊｉａｎ．１ｏｎｇ　，ＣＨＥＮ　Ｓｈｏｕ．ｋａｉ　，ＧＵＯ　Ｌｅｉ　（１．Ｎａｎｔｏｎｇ　Ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｎａｎｔｏｎｇ　２２６００６，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎｏａｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００４５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ－ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ｗｅｌｌ　ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｐｕｍｐ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｂａｓｅ　ｐｌａｔｅ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｂｏｔｔｏｍ　ａｎｄ　ｌａｔｅｒａｌ，ａｎｄ　ｓｔｅｐ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ．Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｏｎｅ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｐｕｍｐ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａ　ＦＥＭ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ．Ｕｓｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　３　Ｄ　ｕｎｓｔａ—　ｂｌｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄ，ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ—ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ｗｅｌｌ　ｌａｙｅｒ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｉｎｌｙ　ｔｅｓｔｓ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｉｔｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｔｅｐ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｉｒｏｎ，ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｉｓ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｄａｙ．Ｓｏ　ａ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ｐｏｕ—　ｒｉｎｇ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｕｍｐ　ｓｔａｔｉｏｎ；ｂａｓｅ　ｐｌａｔｅ；ｗａｔｅｒ—ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ｗｅｌｌ　ｌａｙｅｒ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｓｔｒｅｓｓ　（责任编辑：陈海涛）