后浇带对钢筋混凝土蓄水池影响仿真研究.pdf

第41卷第9期2023年9月文章编号：10 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3)0 9-0 2 0 7-0 6市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.9Sep.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.09.207后浇带对钢筋混凝土蓄水池影响仿真研究余臣相*,杨刚，陈少轩（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉43 0 0 10)摘要：针对大型混凝土结构蓄水池的裂缝问题，以西北地区某大型蓄水池工程为研究对象，采用ANSYS有限元软件建立了有、无后浇带蓄水池三维计算模型；从温度变化、地基沉降和收缩徐变方面研究了后浇带对蓄水池变形和应力的影响。研究结果表明：整体升降温作用下无后浇带结构顶板边缘斜坡变形和应力较大；后浇带能减小结构应力和变形，但其附近会产生较大的应力和变形；设置后浇带后结构因地基沉降引起的变形和应力均得到了有效控制；收缩徐变作用下有后浇带结构初期位移更大，长期位移更小；2 种结构的应力分布大致相同，但有后浇带的结构正应力较小。关键词：蓄水池；钢筋混凝土结构；后浇带；ANSYS中图分类号：TU911.34(China Municipal Engineering South-Central Design and Research Institute Co.,Ltd.,Wuhan 430010,China)Abstract:For the problem of crack,a large reservoir project in Northwest China was taken as the research object.A3D calculation model of reservoirs with and without post-pouring strip was established by ANSYS finite elementsoftware;The influence of post-pouring strip on the deformation and stress of reservoirs was investigated from theaspects of temperature change,foundation settlement and shrinkage creep.The results show that the deformationand stress of the slope at the top slab edge of the structure without post-pouring strip are larger under the overal lift-ing temperature;The post-pouring strip can reduce the stress and deformation of the structure,but larger stress anddeformation will occur nearby;The deformation and stress of the structure caused by the settlement of the foundationafter post-pouring strip setting are effectively controlled;The initial displacement is larger under the action ofshrinkage creep and the long term displacement is smaller;The distribution of stress of the two types of structuresare about the same,but the positive stress of the one with post-pouring strip is smaller.Key words:reservoir;reinforced concrete structure;post-pouring strip;ANSYS文献标志码：ASimulation Study on the Effect of Post-pouring Strip onReinforced ConcreteReservoirYu Chenxiang*,Yang Gang,Chen Shaoxuan蓄水池是水利工程中常见的蓄水构筑物，且随着我国水利工程的不断发展，大型、超长钢筋混凝土结构形式的蓄水池也越来越多。但该类结构在内外因素作用下易产生不可恢复的变形和裂缝，进而威胁了结构的运营安全。因此，采取合理的方式控收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 6作者简介：余臣相，男，助理工程师，硕士，主要从事市政结构设计工作。引文格式：余臣相，杨刚，陈少轩.后浇带对钢筋混凝土蓄水池影响仿真研究.市政技术，2 0 2 3，41(9)：2 0 7-2 12.（YUCX，Y A N G G,C H E N S X.Simulation studyon the ffectofpost-pouring striponreinforcedconcretereservoirJ.Journalofmunicipal technology202341(9):207-212.)制该类结构的变形和裂缝是待解决的问题。传统设计中常采用伸缩缝解决各类裂缝问题。如：朱海燕1采用设置伸缩缝、保温层、后期保护等措施解决了大型混凝土结构裂缝问题，并取得了一定的效果。但该方法结构的整体性较差,易出现渗流和208不均匀沉降大等问题，不适用于大型水池混凝土结构的无缝设计，而设置的后期现浇带能有效控制结构沉降差和收缩应力，提高结构整体性，已被广泛用于大型混凝土结构的无缝设计，解决了裂缝问题。高鹏等 2 基于ABAQUS有限元软件进行了超长钢筋混凝土结构抗裂效果研究，对比分析了后浇带等措施对结构内力和变形的影响。研究结果表明：后浇带能有效补偿结构拉应力，控制裂缝产生。杨毅超等3采用试验研究与数值分析相结合的方法，系统研究了控制大型混凝土结构裂缝的关键技术，采用后期现浇膨胀带解决了裂缝问题，并取得了较好的效果。范波 4 采用现浇带结合预应力技术进行了大型混凝土结构的预应力控制，并通过SAP2000有限元软件验证了该项裂缝控制技术的有效性。以上研究主要集中于后浇带在各种大型混凝土结构裂缝控制方面的应用，但后浇带对蓄水池混凝土结构影响的研究相对较少；且在影响因素方面存在一定的限制,如对收缩徐变等因素的考虑较少。对此，笔者以我国西北黄土湿陷地区某大型蓄水池工程为例，将后浇带运用于蓄水池大型混凝土结构，采用ANSYS有限元分析软件进行温度、地基沉降和收缩徐变作用下，有、无后浇带蓄水池结构变形和内力分析,研究后浇带对蓄水池的影响,以便为大型钢筋混凝土结构蓄水池的优化设计提供参考。1工程概述和模型建立某大型蓄水池群工程由6 个大型无梁板式C30钢筋混凝土蓄水池组成，单个蓄水池总体长7 3.2 m、宽5 5.2 m高8.1m，顶板厚0.3 m，底板厚0.8 m，侧墙厚0.6 m;池内部每间隔6 m设置1根混凝土柱，顶面铺设3 mm厚SBS防水层,并回填土方和绿化表层。该结构底部铺设水泥砂浆垫层、复合土工膜、水泥土垫层和原土翻夯层。该工程位于我国西北湿陷性黄土地区，地基强度较低，在上部荷载和环境作用下易产生较大的不均匀沉降，引起结构内力变化和变形。同时，大型钢筋混凝土结构易受温度和收缩徐变的影响，产生收缩裂纹和应力集中现象，因此考虑设置后浇带以解决裂缝等问题。温度、沉降变形和收缩徐变是该蓄水池工程的研究重点。由于施工工序和养护龄期对混凝土结构影响较大，所以无后浇带结构施工工序为底板、侧墙、立柱和顶板，各工序养护龄期均为7 d；有后浇带结构在该基础上增加后Journal of Municipal Technology值见表1。Tab.1 Material parameters弹性模量/线膨胀系数/泊松比MPa3.0104第41卷浇带施工工序，即在顶板施工完成42 d以后开展后浇带施工,养护龄期也为7 d。结合工程实际，采用ANSYS有限元软件建立大型无梁板式钢筋混凝土蓄水池有限元分析模型（见图1），模型尺寸与实际工程尺寸相对应。桩a)无后浇带整体模型(m）b)有后浇带整体模型c)结构内部模型图1大型无梁板式钢筋混凝土蓄水池有限元分析模型Fig.1 Finite element analysis model of large beamless slab typereinforced concrete transfer reservoir该结构墙体周围土采用单向受压弹簧进行模拟，刚度为1.0 N/mm。根据GB50010一2 0 10 混凝土结构设计规范5 规定,C30混凝土材料相关参数取表1材料参数比热容/(1/)kJ/(kg.)0.21.0 x10-573.20.96后浇带位置一后浇带位置导热系数/W/(m)1.76第9 期2不同因素对蓄水池混凝土结构的影响笔者就温度、地基沉降和收缩徐变等因素对有、无后浇带结构的变形和应力变化进行分析。其中：模型采用间接耦合法进行热应力分析，即：选用8 节点Solid70热应力单元，通过热分析所得节点温度作为荷载施加到应力分析中。对于地基沉降分析，上部结构自重会引起地基不均匀沉降，地基沉降映射到上部结构，就会引起结构应力变化和变形；根据弹性地基梁理论,将地基假设为弹性地基梁,地基刚度为1.0 N/mm。对于收缩徐变，考虑短期徐变（浇筑完成，42、5 6、8 4d)和长期徐变（10 年和5 0 年）对蓄水池结构位移和应力影响；依据混凝土徐变收缩理论,采用CEB-FIP90模型模拟混凝土结构的收缩徐变。2.1温度的影响温度对蓄水池混凝土结构影响较大，温度变化会引起结构不均匀变形和内部应力集中，使结构产生温差裂缝。对此，可通过热-应力分析模型研究整体升温和降温对结构变形和应力的影响。由于篇幅限制，笔者仅展示无后浇带蓄水池结构整体升温5 时的位移云图（见图2），以便说明结构位移和应力较大位置分布。1.6041.4581.3121.0211.166短边斜坡0.8750.729长边斜坡0.5830.4370.1460.2920.00图2 无后浇带蓄水池结构整体升温5 时的位移云图（mm）Fig.2 Displacement cloud chart of the reservoir structure withoutpost-pouring strip with the overall temperature rise of 5 由图2 可知，整体升温5 时，结构较大位移和应力主要集中在顶板四周边缘斜坡位置。蓄水池结构最大位移值为1.6 0 4mm，位于顶板短边斜坡附近；顶板短边斜坡附近最大正应力为1.0 5 5 MPa，长边斜坡附近最大正应力为0.9 8 2 MPa，均满足C30混凝土强度要求，但短边方向正应力较大，需给予重点关余臣相等：后浇带对钢筋混凝土蓄水池影响仿真研究2.2地基沉降的影响蓄水池结构自重荷载会引起地基产生不均匀沉降,从而造成上部蓄水池结构变形。对此，针对有、无后浇带蓄水池结构，开展地基表面不均匀沉降分析和上部结构位移、应力分析。由地基表面沉降计算结果可知，无后浇带时，施工完成后因上部结构自重作用引起的地基表面不均匀沉降最大值为0.2 95 mm，位于立柱结构正下方；侧墙位置地基表面不均匀沉降最大值为0.14mm。有后浇带时，地基表面不均匀沉降最大值为0.2 6 3 mm,同样位于立柱结构正下方；侧墙边地基表面不均匀沉降最大值为0.12 mm。相对于无后浇带，设置后浇带后地基表面不均匀沉降最大值减少了0.0 3 2 mm，减少约10.8%；侧墙位置地基表面不均匀沉降最大值减少了0.0 2 mm,减少约14.3%。以地基表面不均匀沉降计算结果作为上部蓄水池结构的底部位移边界条件，计算上部结构位移变形,结果如下：地基表面变形映射到上部结构并发生变形后，无后浇带结构最大垂向位移为0.5 2 0 mm，分布于各立柱围成的矩形面积的中心位置，因此为防止后期运营荷载造成结构产生的更大变形和开裂现象，需针对这些位置进行配筋加固；有后浇带时,顶板各立柱围成的矩形面积的中心位置也存在较大的垂向位移，但该情况结构最大垂向位移分布在顶板四周边缘，最大值为0.5 15 mm。因此设置后209注。整体降温5 时,顶板四周边缘斜坡位置位移和应力较大，即：结构最大位移位于顶板短边斜坡位置，最大位移值为1.5 42 mm；顶板长边方向最大正应力为1.7 8 9MPa，短边方向最大正应力为2.0 15 MPa，接近C30混凝土的抗拉强度。设置后浇带后，蓄水池结构的位移和应力明显减小，位移和应力分布也发生了变化。整体升温5 时，结构最大位移值为1.3 5 8 mm，最大正应力为0.876MPa，顶板斜坡和后浇带附近位移和应力较大，且短边位移和应力仍然大于长边。整体降温5 时，结构最大位移值为1.2 8 7 mm,最大正应力为1.7 3 2 MPa，均位于顶板短边斜坡附近。分析原因为，后浇带结构能抵抗和吸收部分温度应力，提高结构整体抵抗温度变化的能力；由于后浇带结构和前期浇筑结构间存在差异，所以在后浇带附近会形成薄弱部位，造成应力集中现象，导致后浇带附近形成较大的应力和变形。210浇带后，结构垂向位移最大值相对于无后浇带减少了 0.0 0 5 mm,减少约 1.0%。上部蓄水池结构各部位应力计算结果见表2。表2 结构各部位应力计算结果Tab.2 Stress calculation results for each part of the structureMPa顶板底顶板顶侧墙底底板底底板顶有、无部最大部最大部最大部最大部最大后浇带拉应力压应力拉应力拉应力拉应力无后浇带0.241有后浇带0.247由表2 可知，相对于无后浇带结构，设置后浇带后结构顶板最大拉、压应力均有所增大，其中最大拉应力增大0.0 0 6 MPa，增大约2.5%；最大压应力增大0.0 0 8 MPa，增大约3.1%。侧墙底部、底板底部和底板顶部最大拉应力均有所减小，其中侧墙底部最大拉应力减小0.92 0 MPa，减小约47.7%；底板底部最大拉应力减小0.8 7 0 MPa，减小约8 4.5%；底板顶部最大拉应力减小0.13 3 MPa，减小约13.3%。对比分析地基沉降对有、无后浇带蓄水池结构的影响发现，设置后浇带后，地基表面不均匀沉降和上部结构变形均有所减小，而应力情况较为复杂，顶板最大拉、压应力均有所增大,但增大程度较小；侧墙底部、底板底部和底板顶部的最大拉应力均有较为明显的减小。因此,后浇带设置对结构在地基沉降作用下的变形和应力均有较好的控制作用，总体上后浇带施工对结构有利。2.3收缩徐变的影响收缩徐变会使蓄水池结构内部产生较大的收缩应力，而后浇带可将整体蓄水池结构分割成多段短蓄水池结构，释放结构内部的收缩应力。因此,为研究收缩徐变对有、无后浇带结构的影响，有必要对短期徐变（浇筑完成，42、5 6、8 4d)和长期徐变（10 年和50年)作用下蓄水池结构位移和应力情况进行计算。无后浇带结构顶板不同位置垂向位移随时间变化曲线见图3。由图3 可知，测点1为后浇带中心位置测点2、3 分别为短边斜坡位置和长边斜坡位置。浇筑完成后，无后浇带蓄水池顶板垂向位移随时间的变化在不断发展，浇筑完成后的42 d内，顶板垂向位移以较快速度增长;42 d后,垂向位移增长缓慢并趋于稳定；8 4d后顶板3 个测点位置的垂向位移为0.6 0 Journal of Municipal Technology0.8一0 一测点1一测点2一一测点30.70.60.50.40.2611.9300.2691.010第41卷后浇带测点1测点2测点3+1.0301.0000.1600.867X0.30图3 无后浇带结构顶板垂向位移随时间变化曲线Fig.3 Variation curves of vertical displacement with time at thetop slab without post-pouring strip0.75mm。各位置的垂向位移随时间变化曲线存在交叉点，说明顶板各部位位移变形随时间的不同不断发生变化，即不同时间段顶板位移分布不尽相同。有后浇带结构顶板不同位置垂向位移随时间变化曲线见图4。0.90.80.70.60.50.40.30.20.10.00图4有后浇带结构顶板垂向位移随时间变化曲线Fig.4 Variation curves of vertical displacement with time at thetop slab with post-pouring strip由图4可知，随着时间的推移，有后浇带结构顶板垂向位移不断发展,呈线性增大，但增大趋势相对缓慢。后浇带中心位置位移远小于其他位置，养护8 4d后,后浇带中心位置垂向位移增大至0.4mm左右,其他位置垂向位移则为0.7 0 0.8 5 mm。对比有、无后浇带的垂向位移结果可知，设置后浇带后，顶板位移发展相对平缓，后浇带中心位140一测点10一测点2一一测点311428浇筑完成后天数/d测点1测点2测点3 中2842浇筑完成后天数d42565670后浇带708484口第9期置位移明显减小，顶板其他部位前期位移虽大于无后浇带情况,但后期位移相近,均稳定在0.6 0.8 mm范围。0.70.60.50.40.3中0.20Fig.5 Variation curves of positive stress with time at different locations of the top slab without post-pouring strip0.60.50.4余臣相等：后浇带对钢筋混凝土蓄水池影响仿真研究0一测点1一0 一测点10一测点20一测点2一测点30.50.4后浇带测点1测点2测点3+1428浇筑完成后天数da)纵向正应力图5 无后浇带结构顶板不同位置正应力随时间变化曲线0一测点10一测点2一测点3211为分析收缩徐变对结构应力的影响,绘制有、无后浇带结构顶板不同位置正应力随时间变化曲线，见图5.6。0.6n一测点30.30.24256后浇带测点1：测点2测点3+J7084O00.6一一测点10一测点20.5一测点30.41428浇筑完成后天数db)横向正应力425670840.30.20.10Fig.6 Variation curves of positive stress with time at different locations of the top slab with post-pouring strip由图5、6 可知，在自重和徐变作用下，无后浇带结构顶板正应力随着时间的推移呈现先增大后减小再增大的趋势，且第3 阶段正应力增长速率明显放缓。与垂向位移类似,正应力随时间变化曲线存在交叉点，不同时间段顶板最大正应力位置也不尽相同。有后浇带时，顶板正应力大小和分布随时间的发展也在不断变化，后浇带中心位置正应力变化趋势与无后浇带情况类似，即随着时间的推移为先增大后减小再增大，正应力略小于无后浇带情况；其他0.3后浇带测点1测点2测点3 十1428浇筑完成后天数da)纵向正应力图6 有后浇带结构顶板不同位置正应力随时间变化曲线上小于无后浇带结构。2种结构在长期徐变作用下（10 年和5 0 年）的位移、应力计算结果见表3。有后浇带结构在徐变10 年和5 0 年后，顶板最大位移和最大正应力均小于无后浇带结构。设置后浇带后，长期徐变的蓄水池结构最大位移减小约0.2%、后浇带测点1测点20.2测点30.1425670840位置与后浇带中心位置表现出较大的差异，且随时间的推移，正应力呈线性缓慢增长。对比2 种情况，有后浇带结构顶板正应力总体1428浇筑完成后天数db)横向正应力42567084参考文献市放技术212Journal of Municipal Technology表3 徐变10 年、5 0 年后顶板位移和应力计算结果Tab.3 Calculation results of displacement and stress at thetop slab after 10-year and 50-year creep垂向位移最大值/纵向正应力最大值/横向正应力最大值/徐变mm时间/无后浇/有后浇/无后浇/有后浇/无后浇/有后浇/年带带102.756504.7770.3%，最大纵向正应力减小约2.6%、2.4%，最大横向正应力减小约11.3%、1.6%。长期来看，有后浇带结构相比无后浇带结构具有一定的优越性，具有更小的徐变位移和应力，在长期收缩徐变作用下具有更长的使用寿命。长期徐变后，2 种结构位移和应力分布大致相同,其原因是，随着时间的推移,后浇带强度提升以后能与先期现浇结构组成良好的结构系统，后浇带对结构后期徐变的影响较小。3结论为解决大型蓄水池钢筋混凝土结构的裂缝问题，依托西北湿陷性黄土地区某蓄水池工程，采用ANSYS有限元软件对比分析温度、地基沉降和收缩徐变作用下有、无后浇带蓄水池结构的内力和变形规律，得到如下结论：1)由热力分析结果可知,在整体升、降温作用下，无后浇带结构顶板边缘斜坡位置变形和应力较大，且短边大于长边，因此应将顶板短边位置作为重点关注对象；设置后浇带后，结构应力和变形明显减小，但顶板后浇带附近会产生较大的变形和应力。2)通过地基沉降分析可知，设置后浇带后结构因地基沉降引起的变形和应力均得到了有效控制，总体上后浇带施工对结构有利，地基表面不均匀沉降和上部结构变形均有所减小，虽顶板拉压应力有所增加，但增加幅度较小,结构其他位置应力均有(上接第5 4页）11刘红瑛,徐金枝，张振兴，等.多聚磷酸改性沥青高温评价性能指标研究 J.华南理工大学学报（自然科学版）,2 0 16,44(8)：98-105.(LIU H Y,XU J Z,ZHANG Z X,et al.Investigation in-to high temperature evaluation indexes of polyphosphoric acid-modified asphaltJ.Journal of South China University of Tech-nology(natural science edition),2016,44(8):98-105.)12银花，李凯.沥青零剪切黏度与高温流变参数灰色关联分析 J.建筑材料学报,2 0 2 0,2 3(1):10 8-113.(YINH,LIK.Greycor-relation analysis of zero shear viscosity and high temperature第41卷较为明显的降低。3)根据收缩徐变分析结果可知，有后浇带的结构初期位移较大，但长期来看，徐变10 年和5 0 年后的位移小于无后浇带结构；2 种结构的应力分布大MPaMPa带带2.7513.2464.7624.638致相同，但有后浇带结构的短期和长期徐变正应力带带3.1612.7074.5273.867更小。因此有后浇带结构在长期徐变影响下更具优2.402越性。3.8041朱海燕.大型混凝土水池裂缝成因及控制分析 J.江西建材，2022(8):275-277,284.(ZHU H Y.Analysis on causes and con-trol of cracks in large concrete water tank J.Jiangxi buildingmaterials,2022(8):275-277,284.)【2 高鹏，葛昌文，刘毛方，等.超长环形体育场混凝土结构施工期抗裂性能数值分析 J.工业建筑，2 0 2 2,5 2（10)：94-99,110.(GAO P,GE C W,LIU M F,et al.Numerical analysis of crackresistance of concrete structure of ultra-long round stadium dur-ing constructionJJ.Industrial construction,2022,52(10):94-99,110.)【3 杨毅超，张德锋，冯伟明，等.超长混凝土结构裂缝控制关键技术在工程中的应用研究 J.建筑结构，2 0 18,48(18)：5 9-6 3.(YANG Y C,ZHANG D F,FENG W M,et al,Application re-search on key technologies for crack control of super-long con-crete structures in engineeringJJ.Building structure,2018,48(18):59-63.)【4范波.超长预应力混凝土结构的裂缝控制模拟分析 J.建筑施工,2 0 12,3 4(6):5 6 4-5 6 5.(FAN B.Simulation analysis of crackcontrol over super long prestressed concrete structure J.Buildingconstruction,2012,34(6):564-565.)【5 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范：GB500102010S.2015年版.北京：中国建筑工业出版社，2015.(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of thePeoples Republic of China.Code for design of concrete structures:GB 500102010S.2015 ed.Beijing:China Architecture&Build-ingPress,2015.)其他作者：杨刚，男，工程师，硕士，主要从事市政设计工作。陈少轩，男，助理工程师，硕士，主要从事市政道路工程设计工作。rheological parameters of asphaltJJ.Journal of building materi-als,2020,23(1):108-113.)其他作者：杨龙飞，男，工程师，硕士，主要研究方向为功能性路面及其新技术。王云，女，工程师，硕士，主要研究方向为路面养护技术。李健，男，工程师，硕士，主要研究方向为路面养护材料。张博，男，高级工程师，硕士，主要研究方向为路基路面工程设计与管理。陈江，男，高级工程师，硕士，主要研究方向为路基路面工程设计与管理。