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三維約束條件下的大體積混凝土墩墻和底板進行有限元溫度應(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)面約束點拉應(yīng)力較底板拉應(yīng)力顯著增大，有產(chǎn)生裂縫的風險，重力作用將底部約束點拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，針對其可能出現(xiàn)的溫度裂縫分布情況，提出相關(guān)預防措施。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：TV523

文獻標志碼：A

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

文章編號：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、受力條件復雜，在施工期更容易出現(xiàn)溫度裂縫［2］。通過對國內(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)力非恒定時空問題的仿真求解受到學者廣泛關(guān)注［6］。

目前，國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)溫度場、溫度應(yīng)力以及溫控措施的研究已經(jīng)較為成熟，但對混凝土結(jié)構(gòu)在空間各方向受約束時溫度場、應(yīng)力場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象，結(jié)合該工程實際氣溫環(huán)境、材料特性參數(shù)以及站身主體底板及墩墻澆筑方案，對整個澆筑過程進行了仿真模擬，分析施工期底板及墩墻的溫度場和應(yīng)力場時空變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，重點進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)東泖河東岸的西長港支河口，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，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級水工建筑物，其他永久性建筑物為3級水工建筑物，內(nèi)、外河圍堰等臨時性建筑物為4級水工建筑物。

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，在底板與泵站流道層上部結(jié)構(gòu)墩墻位置預留深度為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)點在于可以減弱底板對后澆墩墻的約束，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，此種方法對于進出水流道復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)用于進出水流道復雜的泵站，適用于底板澆筑時流道層下部模板放置困難或流道層模板復雜而使?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，針對上述第二種澆筑方案，總結(jié)已有經(jīng)驗，提出一種混凝土澆筑改進方法：澆筑底板時，在底板與泵站流道層上部結(jié)構(gòu)墩墻位置預留深度為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)生機理分析

泵閘結(jié)構(gòu)混凝土裂縫產(chǎn)生主要是因為混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力大于自身抗拉強度，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)生和擴大不僅與自身澆筑溫度、強度、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、拆模時間等密切相關(guān)。根據(jù)裂縫出現(xiàn)的時間劃分，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，跡線長而高，啟裂點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??；而在混凝土溫降階段，混凝土強度快速提高，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)長度方向的尺寸遠大于厚度方向，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

本文進行溫度應(yīng)力仿真分析時主要采用以下假設(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，首先進行底板的施工，在底板上預留凹槽，達到強度要求后進行上部墩墻結(jié)構(gòu)的施工。

本文在定義水化熱溫度場的過程中，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 整個模型為對稱結(jié)構(gòu)，本次模擬取一段具有代表性的墩墻進行溫度應(yīng)力仿真分析，因此在y方向上需采取對稱邊界條件；③ 對流邊界條件分為兩個階段，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邊界。

5 溫度應(yīng)力模擬

5.1 建 模

進行底板以及墩墻的建模工作，同時進行六面體單元的分割，共劃分為1 450個六面體單元，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，水化熱溫度達到最大值，底板中心點的最高溫度為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)，恢復至20 ℃左右。在底板模型上選擇特征點位，包括底板表面中心溫度最高點N935以及底板內(nèi)部中心溫度最高點N649，混凝土底板特征點溫度時程圖和應(yīng)力時程圖見圖3～4。

從圖3和圖4可以看出：① 底板內(nèi)部中心點N649與底板表面中心點N935水化熱的溫差在26 h左右達到最大值，約20 ℃；② 底板混凝土溫度達到最大值后開始降溫，7 d后溫度恢復至20 ℃左右。③ 底板內(nèi)部中心點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)外溫差達到一定量時，會導致混凝土開裂。

5.3 混凝土墩墻散熱分析

混凝土底板澆筑完成后10 d，開始進行混凝土墩墻的澆筑。混凝土墩墻澆筑完成1 d左右，水化熱溫度達到最大值，墩墻中心點的最高溫度為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)，恢復至20 ℃左右。在混凝土墩墻模型上選擇特征點位，取其溫度值最高值，包括墩墻迎水側(cè)表面中心點N1380、墩墻內(nèi)部中心點N1385以及墩墻背水側(cè)表面中心點N1331?；炷炼諌μ卣鼽c溫度時程圖和應(yīng)力時程圖見圖5～6。

從混凝土墩墻特征點溫度時程圖可以看出：① 墩墻內(nèi)部中心點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N1380水化熱的溫差達到最大值，溫差最大值約18 ℃；② 墩墻內(nèi)部中心點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N1331水化熱的溫差達到最大值，溫差最大值約20 ℃；③ 混凝土墩墻溫度達到最大值后開始降溫，澆筑后7 d后溫度恢復至20 ℃左右。④ 墩墻內(nèi)部中心點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)域選擇特征點位，取溫度值最高值，包括背水側(cè)約束點N863、N720，底部約束點N577、N1003及N1004，以及迎水側(cè)約束點N1201、N1266。三維約束特征點溫度時程圖、側(cè)面約束點應(yīng)力時程圖、底部約束點應(yīng)力時程圖見圖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，特征點溫度在26 h左右達到最高值，為30.00～42.52 ℃；在墩墻澆筑結(jié)束后26 h左右，水化熱達到最大值，為30.00～36.50 ℃。由于墩墻澆筑時，底板的水化熱反應(yīng)已完全結(jié)束，底板可以默認為固定溫度狀態(tài)，因此三維約束點溫度上升速度減緩；

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無拉應(yīng)力，因此墩墻澆筑期間，底部約束點產(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)面約束點拉應(yīng)力顯著增加，有產(chǎn)生裂縫的風險。受墩墻重力影響，與底板澆筑期間相比，底部約束點拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，墩墻澆筑期間，底部約束點無拉應(yīng)力，因此墩墻澆筑期間，底部約束點產(chǎn)生裂縫的可能性較低。

6 結(jié) 論

通過對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)場易發(fā)生裂縫的薄弱點，可指導現(xiàn)場混凝土結(jié)構(gòu)施工，達到工程底板、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)面約束點拉應(yīng)力顯著增加，有產(chǎn)生裂縫的風險；③ 墩墻澆筑期間，底部約束點無拉應(yīng)力，因此該期間底部約束點產(chǎn)生裂縫的可能性較低。

綜上所述，針對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)生裂縫的重點區(qū)域，施工中應(yīng)采取有效的降溫措施，包括嚴格控制入倉溫度、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)生裂縫的重點區(qū)域，第一階段施工完成后，應(yīng)加強對側(cè)面區(qū)域的養(yǎng)護。

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