淮阴三站泵站贯流式流道混凝土温度和应力仿真分析.pdf

水利水电技术第4 2卷2 0 1 1年第 l 期 淮 阴三站泵站贯流式流道 混凝 应 力仿 真分 析 陈守开 ， ( 1 华北水利水 电学院 水利学院，河南 日 11I r m 强 晟 ，郭 磊 ，郭利霞 度 和 郑州4 5 0 0 1 1 ；2 河海大学 水利水电学院，江苏 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要：根据淮阴三站泵站工程的流道特点、施工过程、现场环境等 实际因素，利用三维非稳定温度 场和应力场有限元仿真计算程序 ，对泵站主体混凝土结构施工全过程的温度场和应力场进行动态仿真 计算，分析 了施工期泵站贯流式流道墩墙混凝土结构裂缝产生的原 因，提 出相应的防裂措施。 关键词：淮阴三站泵站 ；贯流式流道；仿真分析 ；温度 ；应力 中图分类号：T V 3 1 5 ( 2 5 3 ) 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 1 ) 叭一 0 0 4 4 0 4 S i mul a t i o n an d a n a l y s i s on t e mpe r a t ur e a nd s t r e s s of c o nc r e t e f o r t ub ul a r flow p a t h o f Hualy i n No 3 Pu m p i ng S t atio n C H E N S h o u k a i ， Q I A N G S h e n g ，G U O L e i ， G U O L i x i a ( 1 Wa t e r R e s o u r c e s D e p a r t me n t ， N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d E l e c t ri c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ，H e n an ， C h i n a ；2 C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e rva n c y a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g ， Ho h a i U n i v e rsi t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n t h e a c t u a l c o n s t r u c t i o n c o n d i t i o n s o f Hu a i y i n N o 3 P u mp i n g S t a t i o ns u c h a s t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e fl o w p a t h，t h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s，t h e s i t e e n v i r o n me nt ，t h e d y n a mi c s i mu l a t i o n a n d nu me r i c a l c alc ul a t i o n are ma de f o r b ot h t he t e mp e r a t ur e fie l d a n d t h e s t r e s s fie l d o f t he ma i n c on c r e t e s t ruc t u r e s o f t he p ump i n g s t a t i o n d u rin g t he who l e p roc e s s o f t h e c o n s t ruc t i o n wi t h t h e 3一D f i n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n o n t h e u n s t a b l e t e mp e r a t u r e fi e l d a n d s t r e s s fi e l d；i n w h i c h t h e c a u s a t i o n o f t h e c r a c k i n g o n t h e c o n c r e t e s t r u c t u r e o f t h e p i e r wa l l o f t h e t u b u l ar fl o w p a t h o f t h e p u mp i n g s t a t i o n d u r i n g t h e c o n s t r u c t i o n i s a n a l y z e d，a n d t h e n t h e r e l e v a n t c r a c k i n g c o n t r o l me a s u r e s are p u t for wa r d a s w e l 1 Ke y wo r d s ：Hu a i y i n N o 3 P u mp i n g S t a t i o n；t u b u l ar fl o w p a t h；s i mu l a t i o n a n aly s i s ；t e mp e r a t u r e ；s t r e s s 淮阴三站泵站工程与淮阴一站并列布置 ，和淮阴 一 、二站及洪泽站共同组成南水北调东线工程的第三 梯级。工程建成后 ，具有 向北调水、提高灌溉保证 率 、改善水环境 、提高航运保证率等功能。该泵站采 用灯泡贯 流式流道 ，结 构形式复杂，墩墙厚度变化 大。根据以往的工程经验 ，施工期流道墩墙等结构的 混凝土极易 出现裂缝。针对这一 问题 ，笔者 利 用三 维有 限单元法对该泵站 主体混凝土结构 ( 底板 和墩 墙) 进行 了施工期 温度场和应力 场的仿真计算 和分 析 ，在充分考虑混凝 土结构形式 、材料种类 、施工 过程 、气温及风速等条件 的基础上 ，按实 际混 凝土 浇筑施工方案 ，分析流道墩墙混凝土的温度 和应力 状态随时间、空间的变化规律 ，在此基础上 ，综合 分析 了施工期起关键性作用 的流道墩墙混凝土结构 裂缝 出现的可能性 ，判断可能 出现 的开裂时 间，分 析施工期泵站混凝土结构 的裂缝成 因，并提 出相应 的防裂措施 。 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 在计算域 内任何一点处 ，不稳定温度场 T ( ， 收稿 日期 ：2 0 1 0 一 O 8 3 O 基金 项 目： 国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 5 0 5 3 9 0 1 0 ，5 0 7 7 9 0 1 0 ， 5 0 5 7 9 0 8 0 ) 。 作者简介 ：陈守开 ( 1 9 8 O 一 ) ，男 ，讲师 ，博士 。 W a te rRe s o u r c e s a n dHy d r o p o we r En g in e e r i n g V o 1 4 2 No 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m Y ， ，t ) 须满足热传导方程 ：口f 噻 + + 嘤1 + 一a 0 ( 1 ) a f a 。 a ) ， d r 式中，7 1 为温度 ( ) ；a为导温系数 ( m h ) ；0为混 凝土绝热温升( ) ；t 为时间( d ) ，r为龄期( d ) 。 利用变分原理 ，对式 ( 1 ) 采用空间域离散 ，时间 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 ( 刖+ 壶 ) + - 一 1 R + + - = 0 ( 2 ) 式 中， 别 为热传导矩阵； 为热传导补充矩 阵； 和 + 。 为结点温度列阵； 为结点温度 荷载列阵 ； n为时段序数 ；z a t 为时间步长。 根据递推公式 ( 2 ) ，有 已知上一时刻 的结点计算 温度 可以推 出下一时刻的结点温度 + ， 。 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包括弹性应 变增量、徐变应变增量 、温度应变增量、干缩应变增 量和 自生体积应变增量 ，因此有 = ： + ： + ： + + ： ( 3 ) 式中， ： 为弹性应变增量 ； s ： 为徐变应变 增 量 ； 为温度应变增量 ； 占 为干缩应变增量 ； ： 为自生体积应变增量。 由物理方程 、几何方程和平衡方程可得任一时段 在区域 上的有限元支配方程 K + + + + ( 4 ) 式中， 为区域 尺 内所有节点 3个方向上的位移 增量， P 、 P 、 a p t 、 P 和 P 分 别 为时段 内由外荷载 、徐变、变温、干缩和 自生 体积变形引起 的等效结点力增量 。 2 泵站主体工程的温度场和应力场仿真分析 2 1单值性条件 在传热学上 ，习惯上将所研究 对象 的几何 形状 ( 几何条件) 、热物性 ( 物性条件) 与初始条件和边界 条件统称为单值性条件 J 。即只有给定单值性条 件， 仿真计算才有唯一解 。下面给出本文研究的泵站结构 仿真计算的单值性条件 。 陈守开， 等淮阴三站泵站贯流式流道混凝土温度和应力仿真分析 2 1 1 几何 条件 建模时选取泵站南侧流道部分 ，整体网格节点总 数 7 7 5 1 1个 ，单元总数 7 0 1 3 0个 ，网格如图 1 所示。 为了减少计算量 ，仿真计算时，根据泵站主体部分的 施工顺序 ，利用生死单元技术 _ 3 J ，屏蔽未浇筑单元 ， 然后按照浇筑时间的顺序 ，激活各分层混凝土单元 。 图 1 计算网格 2 1 2物性 条 件 混凝土配合 比( 见表 1 ) 和部分热力学参数 主要 由 施工方提供 ，一部分热学参数根据施工现场实测混凝 土温度数据 ，利用遗传算法 反演获得 ，其余 主要参 考文献 1 ，具体见表 2及表 3 。工程地基属于软性地 基，取弹模 为 3 2 b l P a 。此 外，导热 系数 1 2 0 5 3 k J ( m h o C) ，比热 0 8 8 6 L l ( k g c I = ) ，线胀 系数 0 8 91 0 C，导温系数 0 0 0 5 1 7 m h 。 表 1 混凝 土配 合比 混凝 土强 单位 材料用量 k g mI 3 度 等级 级 配 水 水 泥 粉煤灰 黄砂 石子 外加剂 纤维 C 2 5常态 1 4 3 2 4 9 6 2 5 8 8 l 2 9 9 2 7 8 0 O C 2 5泵送 1 2 1 2 9 8 5 2 6 8 9 l 0 9 4 2 1 l 8 0 9 注 ：常态混凝 土用 于泵站底板 ；泵送混凝土用 于泵站墩墙 。 表 2混凝土材料特性参数 ( 常数 ) C 2 5 导热系数 k J 导温系数 线胀系数 ? 自 松 比 混凝土 ( m h) 1 0 3 m2 h一 1 1 0 5 o C I 常态 9 2 0 5 4 3 9 3 l 1 O 3 0 1 6 7 泵送 9 6 8 0 4 6 7 2 0 1 O 8 0 1 6 7 表 3 混凝土材料性 能随龄期 发展的计算模型 C 2 5混凝土 绝热温升表 达式 0 ( ) 弹性模型 E ( 7 ) G P a 抗拉强度 ( r ) MP a 自生体积变形 s ( 7 ) t 0 。 0 2 0 7 常态 4 1 7 6 1 一 e x p ( 一 0 3 7 z 。 ) 3 0 9 8 1 一 e x p ( 一 0 4 0 7 。 ) 2 5 6 f 1 一 e x p ( 一 0 0 6 7 7 ) 1 5 2 79+2 2 7 7 0 2 5 7 泵送 4 6 4 2 1 一e x p (一 0 3 7 7 。 ) 2 9 7 6 1一e x p (一0 4 0 7 。 ) 3 0 8 1一e x p (一0 0 6 7 7 ) 1 5 2 79+2 2 7 7 水利水电技术第4 2卷2 0 1 1年第 1期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈守开 ， 等淮N-站泵站贯流式流道混凝 土温度和应力仿真分析 2 1 3初 始条件 在混凝土温度场和应力场仿真计算中，浇筑温度 取值当 日平均气温加 3，基础初始温度取当地多年 平均地温 l 3 2 6。 2 1 4边界条件 温度场计算时 ，所取基础的底面及 4个侧面按绝 热边界处理 ，与大气接触的固体表面均按三类边界条 件处理。本工程三类边界条件 的热交换系数见表 4 。 根据实测气温资料拟合当地月平均气温公式为 T o ( t ) = 1 3 2 6+1 0 9 4C O S 7 r ( t 一 7 3 2 ) 6 ，其 中 t 为月 份。此外 ，流道进出 口由于有帘子遮挡 ，故在计算时 流道 内气温在环境温度的基础上加 2 o C。应力场计算 时，所取基础底面和 4个侧面法 向约束 ，其余临空面 均为 自由边界 。在应力分析中，应力 以拉为正 ，以压 为负。抗裂安全度 目标值取 1 6 5 。 表 4 各材料 ( 等效 ) 热交换系数 k J ( m h ) 混凝土 1 2 c m 2 5 c m 4 c m 地基 土工膜 ( 裸露) 竹胶模板 木模 板 木模板 5 2 9 O 4 8 8 6 2 3 7 4 l 9 8 7 1 4 6 5 2 1 3 9 2 。 2施工 进度 仿真计算时 ， 按现拟混凝土浇筑施工方案安排计 算顺序，泵站主体工程的施工进度如表 5所列。 表 5施工进 度 分层 高程 m 施工时段 集水井层 一1 2 2 5 0 4 7 1 2 0 0 7年 7月 2 9日 8月 2 0日 上游出 口侧 0 4 7 1 2 1 7 1 底板层 2 0 0 7年 8月 1 0日 9月 1 0日 下游进 口侧 0 4 712 4 2 0 2 0 0 7年 1 2月 2 5日 2 0 0 8年 流道层 2 3 O7 3 5 2月 1 0日 2 3 仿真 计算 结果分 析 由于集水井层和底板层结构比较简单 ，又浇筑在 软基 ( 弹模 较小 ) 上 ，对混凝 土的约束作用 也较小 ， 因此本文分析的重点在流道墩墙结构。仿真分析需要 回答如下 问题 ：温度 和应 力最大值 出现的时 问、部 位。回答问题最好的方法就是典型剖面的温度及应力 分布图( 给 出最大值 出现部位 ) 和关键点温度及应力 的历时曲线 ( 给出最 大值 出现的 时间) 。本文 的结果 即用 上述 方式表示。 2 3 1 温度 场计 算结 果 图 2为边墩典型点温度历时 曲线 ，图 3为泵站流道边墩中心 剖面浇筑 2 5 d后的温度等值线分布。根据仿真计算 结果以及图 2和图3可以得到如下结论 ：( 1 ) 在浇筑 早期，混凝土的温度 由表及里逐渐增大 ，且越靠近表 面，温度梯度就越大 ，而内部的温度梯度较小。其原 因在于混凝土是热的不 良导体 ，水化反应产生的热量 在 内部不易散失，而表层混凝土与相对低温的空气接 触 ，热量散失较快。因此 ，施工早期 的内外 温差较 大 ，裂缝容易发生在表面。( 2 ) 整个流道墩墙出现两 个高温区 ，一个是在下游进水段 ，另一个是在上游 出水段 ，最高温度约 2 8 6 4。这是 由于这两个部 位都属于渐变段 ，混凝土方量较大 ，水化热积压导 致温度升幅较大。( 3) 混凝土浇筑 后 ，由于水化热 的作用导致温度急剧上升 ，并 在 24 d达 到峰值 ， 而后由于混凝土 的表面散热 ，混凝土 内部温度慢慢 下降 ，下降的速度 由快 到慢。( 4) 本工程施 工期在 冬季 ，外界气温较低 ，这样可能造成 比较大 的内外 温差 ，以边墩部位混凝土为例 ，在混凝土 内部温度 达到峰值时内外温差 达到最大 ，约为 1 3 1 4 c 【 = 。因 此 ，应特别注意早期混凝土的保温和养护 。淮 阴三 站工程 中施工 时采用外墙保 温和流道 口挂帘封堵这 两项措施是合理 的。 图 2边墩典型点 温度历 时曲线 2 3 2 应 力场计 算结果 图4为边墩典型点应力历时曲线 ，图 5为泵站流 道边墩中心剖面浇筑 2 5 d后的应力等值线分布。根 据仿真计算结果以及 图 4和图 5可 以得到如下结论 ： ( 1 ) 由图5应力场分布可以发现 ，在靠近底板 附近区 域拉应力 比较大，最大达到 1 3 1 MP a ，其原因在于流 道墩墙在底板浇筑后 3个月才开始浇筑 ，此时的底板 混凝土已经成熟，与上层新浇混凝土的弹性模量相差 图3 流道中心剖面温度分布( 单位： ) 水利水电技术第4 2卷2 0 1 1 年第 1期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 很大 ，且 流道墩墙 即长又 复杂 ， 致使底板附近新浇混凝土受底板 老混凝土 的变形约束 大。( 2 ) 边 墩渐变段中心部位早期一般表现 为压 应 力 ，随后 混 凝 土 降温 收 缩 ，拉压状态发生变化 ，拉应力 逐渐增大 ，边墩长达 3 4 m，受底 板约束较大 ，同时混凝 土 自身约 陈守开， 等淮阴三站泵站贯流式流道混凝土温度和应力仿真分析 束能力也大 ，因此后期拉应力较大 ，但并未超过混凝 土的允许抗拉强度 。边墩外侧表面早期拉应力值相对 较大 ，最大达到 1 1 0 MP a 。( 3 ) 边墩外侧表面采用竹 胶模板 ，有一定 的保温作用 ，但 由 于施工 当地 气温 低 ，风速大 ，在一定程度加快了混凝土表面 的散热， 从而形成较大的内外温差 ，再加上混凝土的自生体积 和干 缩变 形 的作 用 ，拉 应 力值 相 对 较 大 ，最 大 达 1 0 2 M P a ，而且早期混凝土抗拉强度小 ，故边墩外侧 表面有可能出现早期表面裂缝 。( 4 ) 边墩 内侧渐变段 采用特质的木模板 ，起到了保温作用 ，加上流道 口两 边垂帘 ，没有风速 ，其表面热交换系数相对较小，混 凝土表面温度梯度相对于边墩外侧表面的温度梯度来 说要小 一点 ，最 大约 0 8 2 M P a ，相对 于边墩 外侧 ， 开裂 的可 能性 稍小 。 山 R 3结论 图 4边墩典型点应力历时 曲线 混凝土施工期开裂是由于变形和约束共同作用所 致 ，因此 ，减小变形或约束将有利于提高混凝土的抗 裂安全性 。从温控角度来讲 ，降低混凝土温升和内外 温差是减小温度应力的主要措施之一。对于泵站混凝 土而言 ，由于底板通常浇筑在软基上 ，受基础的约束 相对较小 ，温控难度也相对较低。而流道墩墙混凝土 图5 流道中心剖面应力分布( 单位 ：MP a ) 直接浇筑在混凝土刚性底板上 ，约束变形量较大，且 墩墙一般较长且结构复杂 ，因此 ，泵站工程温控防裂 的重点应在于墩墙结构 。尤其在施工早期 ，混凝土 由 于水化放热反应温度升高 ，使得 内外温差加剧 ，特别 是在低温季节 ，表面会产生 比较大的拉应力，加上此 时混凝土的抗拉强度 比较小且不稳定 ，很容易出现裂 缝。而到了后期 ，由于混凝 土 自身抗裂能力的增强 ， 虽然混凝土的拉应力随着温降而升高 ，但一般还是小 于其抗拉强度。 综上分析 ，并通过 多方案含 温控 措施 的比较分 析 ，淮阴三站泵站工程主要采取 了以下措施 ：( 1 ) 浇 筑后 ，混凝土表面进行保温和内部通水冷却 ，以减小 早期的内外温差 ，从而控制混凝土施工表面裂缝的产 生 。( 2 ) 流道进出 口采用土工布挂帘防风，提高流 道内的气温。( 3 ) 优选水泥品种和配合 比，适当添加 外加剂 ，减小混凝土的 自生体积变形。( 4 ) 在混凝土 内添加纤维 ，提高混凝土的韧性 和强度。( 5 ) 合理施 工分缝、分块 ，减小底板约束。 参考文献 ： 1 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 ，1 9 9 8 2 钱壬章 ，俞昌铭 ，林文贵 传热分 析与计算 M 北京 ：高等 教育出版社 ，1 9 8 7 3 王勖成 ，邵敏 有限单 元法 基本原 理和数 值方法 M 北京 ： 清华大学出版社 ，1 9 9 7 4 朱岳明 ，刘勇军 ，谢先坤 ，等 确定混凝土温度特性 参数的实 验与反演分析 J 岩 土工程学报 ，2 0 0 2，2 4 ( 2 ) ：7 1 4 - 7 1 7 5 张国新 ，罗健 ，杨波 ，等 鱼简河 R C C拱 坝的温 度应力 仿真 分析及温控措施研究 J 水利水 电技术 ，2 0 0 5 ( 5 ) ：2 6 - 2 9 f 6 龚 召熊 ，张锡祥，肖汉江，等 水工混凝土的温控与防裂 M 北 京 ：中国水利水电出版社 ，1 9 9 9 ( 责任编辑陈小敏) 欢迎投稿 欢迎订阎 欢迎刊登 告 水利水电技术第 4 2卷2 O 1 1年第 1期 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m