上海市前衛(wèi)泵站流道結(jié)構(gòu)精細(xì)化溫控仿真

段 煉,王家騏

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

0 引 言

泵站的進(jìn)出口流道結(jié)構(gòu)尺寸大于1 m,依據(jù)SL 191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,屬于大體積混凝土范疇。若施工過程中溫控措施不合理,混凝土澆筑塊內(nèi)外溫差過大,加之構(gòu)成空間為復(fù)雜異形體,新澆混凝土受到下層老混凝土的變形約束,在溫度荷載的作用下會產(chǎn)生過大拉應(yīng)力,增加結(jié)構(gòu)的開裂風(fēng)險,影響泵站的安全運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計,長江流域部分省份的泵站工程中,約有60%的泵站流道存在裂縫的問題[1]。

溫控防裂的核心在于減小混凝土內(nèi)外溫差,內(nèi)埋冷卻水管是降低混凝土內(nèi)部水化熱溫升最直接的措施,若使用不當(dāng)會在水管附近產(chǎn)生較大溫度梯度,引起局部開裂,因此在仿真過程中需要考慮冷卻水管的真實(shí)影響?，F(xiàn)階段研究中,大體積混凝土通水冷卻問題較好的計算方法有熱流耦合精細(xì)算法[2-5],廣泛采用的有限元等效算法[6-8],熱流耦合精細(xì)算法能考慮水管實(shí)際埋設(shè)、布置情況及在冷卻混凝土過程中管內(nèi)水溫的沿程升高情況,從而獲得更為準(zhǔn)確的溫度場。不少學(xué)者對預(yù)埋冷卻水管的流道混凝土展開了仿真研究:張?zhí)m蘭等[9]計算了豎井貫流式泵站流道在不同溫降速率下的溫度場和應(yīng)力場,給出不同部位的溫降速率建議值;何勇等[10]對不同季節(jié)澆筑的斜軸泵流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計算,提出結(jié)構(gòu)面保溫與通水冷卻相結(jié)合是提高流道結(jié)構(gòu)抗裂性能的有效措施。但目前少有學(xué)者采用考慮冷卻水管真實(shí)布置的算法進(jìn)行仿真研究。

本文依托上海前衛(wèi)泵閘工程,采用熱流耦合精細(xì)算法分析預(yù)埋水管流道結(jié)構(gòu)的水冷特征,對流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻水通水流量及通水溫度參數(shù)敏感性分析,給出夏季澆筑的前衛(wèi)泵閘流道混凝土結(jié)構(gòu)通水冷卻建議方案,旨在為相似流道結(jié)構(gòu)的大體積混凝土溫控工作提供參考。

1 工程概況及計算條件

前衛(wèi)泵閘工程位于上海市長興島中部北沿,工程平面布置采用“泵+閘”的布置方案,節(jié)制閘布置于東側(cè),泵站布置于西側(cè)。泵房為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),包括底板、墩墻、流道及上部建筑結(jié)構(gòu)等,站身內(nèi)布置4臺設(shè)計流量為5 m3/s的潛水貫流泵,機(jī)組間由墩墻隔開。進(jìn)出水流道凈寬為3.4 m,高2.7 m,機(jī)組之間隔墩厚1.0 m,邊墩厚1.2 m。本文選取前衛(wèi)泵閘泵站流道為研究對象,考慮到流道結(jié)構(gòu)的對稱性,選取泵房外河側(cè)1/2的流道及對應(yīng)的邊墻、底板結(jié)構(gòu)范圍作為仿真對象,如圖1所示。

底板以上流道結(jié)構(gòu)從下至上分兩個澆筑層澆筑,澆筑層信息見表1。水管分3層布置,流道結(jié)構(gòu)布置兩層水管,第1層水管高程-1.5 m,第2層水管高程-0.5 m,流道以上結(jié)構(gòu)布置第3層水管,水管高程0.20 m,水管與結(jié)構(gòu)外表面間距0.5 m。

表1 澆筑層信息Tab.1 Pouring layer information

采用熱流耦合精細(xì)算法模擬冷卻水效果[3-6]?；炷良盎A(chǔ)有限元網(wǎng)格采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元,水管單元采用Fluid 116熱流耦合單元離散。有限元模型及水管的空間布置型式如圖2所示。溫度場仿真計算中,底板的四周和底面為絕熱邊界,上表面為散熱邊界。結(jié)構(gòu)對稱面和邊墩側(cè)面為絕熱邊界,其他表面均為散熱邊界。應(yīng)力場仿真計算中,底板的順河向兩側(cè)施加法向約束,底面施加全約束,其他面為自由邊界。

圖2 流道混凝土與水管單元空間相對關(guān)系Fig.2 Relative spatial relationship between passageways concrete and water pipe finite elements

泵站流道及混凝土強(qiáng)度等級為C30,絕熱溫升Tr隨時間t變化采用朱伯芳[7]提出的雙曲線公式擬合:

(1)

混凝土徐變度計算公式采用朱伯芳[7]提出的8參數(shù)的指數(shù)函數(shù)式:

C(t,τ)=C1(1+9.20τ-0.45)[1-e-0.30(t-τ)]

+C2(1+1.70τ-0.45)[1-e-0.0050(t-τ)]

(2)

式中:t為持載時間;τ為加載齡期;C2=0.52/E0,E0=E(28)(E(28)為混凝土28 d時的彈性模量),混凝土彈性模量(單位:GPa)及抗拉強(qiáng)度(單位:MPa)計算式為

C30混凝土彈性模量:

E(τ)=38.0×(1-e-0.28τ0.52)

(3)

C30混凝土抗拉強(qiáng)度:

ft(τ)=3.0×(1-e-0.34τ0.75)

(4)

混凝土熱學(xué)參數(shù)見表2?？紤]到流道下層受底板約束更大,選取第一層水管(高程-1.50 m)附近混凝土為溫度及應(yīng)力特征代表點(diǎn)進(jìn)行分析,如圖3所示。其中S1和S2為水管處特征點(diǎn),A10為混凝土表面特征點(diǎn),A3,A4,A7和A8為近水管特征點(diǎn),其余為遠(yuǎn)離水管的特征點(diǎn)。

表2 混凝土熱學(xué)參數(shù)Tab.2 Thermal parameters of concrete

圖3 混凝土內(nèi)特征點(diǎn)位置示意(高程-1.50 m)Fig.3 Schematic diagram of characteristic points in concrete (elevation is -1.50 m)

2 熱流耦合精細(xì)算法仿真結(jié)果

2.1 計算方案

流道混凝土澆筑后即進(jìn)行冷卻水降溫,通水時間15 d,通水流量1.5 m3/h,采用15 ℃制冷水冷卻。

2.2 溫度場與應(yīng)力場仿真結(jié)果

高溫期澆筑的流道混凝土(最高溫度)溫度場包絡(luò)圖,如圖4所示。從包絡(luò)圖可以看出,高溫區(qū)主要集中于流道混凝土內(nèi)部以及絕熱面處,最高溫度達(dá)到54.92 ℃。熱流耦合精細(xì)算法可以細(xì)致反映埋設(shè)水管后混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布,離水管越近的混凝土受冷卻水的冷卻作用越明顯,混凝土內(nèi)部沿水管徑向形成溫度梯度。在埋設(shè)第一層水管和第二層水管的混凝土層,因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)尺寸大,高溫區(qū)形成于混凝土內(nèi)部相鄰水管之間,高溫區(qū)溫度為50～54 ℃。在埋設(shè)第三層水管的區(qū)域,由于相鄰水管間距小,混凝土水管冷卻作用更為充分,因此混凝土內(nèi)部溫度分布更為均勻,整體溫度在38～44 ℃。

圖4 各水管布置層位置混凝土溫度場剖面圖(單位:℃)Fig.4 Concrete temperature field profile at each water pipe layout layer

圖5反映了混凝土澆筑0.5,1,7 d和20 d后流道橫河向剖面的溫度梯度情況。從圖中可以看出:水管之間溫度最高,距離水管越近,混凝土內(nèi)部溫度梯度越大,溫降越明顯。在通水1 d左右溫度梯度達(dá)到最大值。

圖5 混凝土橫河向溫度梯度圖Fig.5 Cross-river temperature gradient diagram of concrete

圖6反映了流道混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)各水管布置層的S1應(yīng)力場分布。位于第一層和第二層水管布置層范圍混凝土的大應(yīng)力區(qū)集中于水管之間的區(qū)域,第一層水管布置層范圍的混凝土處于強(qiáng)約束區(qū),大應(yīng)力區(qū)達(dá)到1.8～2.0 MPa;第二層水管布置層范圍的混凝土受到的變形約束更小,大應(yīng)力區(qū)為1.2～1.5 MPa。第三層水管布置層范圍的混凝土由于內(nèi)部溫度梯度小,變形約束小,整體應(yīng)力降至0.9 MPa以下。

圖6 流道混凝土S1應(yīng)力平面包絡(luò)圖Fig.6 S1 stress plane envelope diagram of passagewaysconcrete

圖7比較了等效算法與熱流耦合精細(xì)算法順河向最大應(yīng)力包絡(luò)圖,兩種算法得到的大應(yīng)力區(qū)均為流道混凝土內(nèi)部以及墩墻外表面位置。熱流耦合精細(xì)算法細(xì)致反映出水管附近溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力,因此熱流耦合精細(xì)算法得到的最大應(yīng)力值大于等效算法的最大應(yīng)力值。

3 通水流量

3.1 計算方案

計算了冷卻水流量分別為0.5,1.5 m3/h和8.5 m3/h 時,流道混凝土的溫度應(yīng)力情況。冷卻水通水時間15 d,水溫為15 ℃。

3.2 溫度場與應(yīng)力場仿真結(jié)果

圖8為第一層水管布置層不同通水流量特征點(diǎn)溫度歷程曲線,選取了水管點(diǎn)S1、混凝土表面點(diǎn)A10、近水管點(diǎn)A4和遠(yuǎn)離水管點(diǎn)A5進(jìn)行分析。圖9反映冷卻水流量對第一層水管布置范圍混凝土的橫河向溫度梯度的影響。從圖9可以看出,增加通水流量對削減混凝土內(nèi)部最高溫度不明顯,但會導(dǎo)致水管附近混凝土早期溫度驟降,越靠近水管,溫度降低越明顯。當(dāng)通水流量由0.5 m3/h增加到1.5 m3/h時,近水管點(diǎn)最高溫度下降0.6 ℃;當(dāng)通水流量由1.5 m3/h增加到8.5 m3/h時,近水管點(diǎn)最高溫度僅下降0.2 ℃,水管點(diǎn)S1通水方向改變幾乎不會影響其溫度,說明1.5 m3/h流量工況時冷卻已經(jīng)很充分,冷卻水與周圍混凝土的熱量交換減少,繼續(xù)加大通水流量難以進(jìn)一步產(chǎn)生削峰效果。

圖8 不同流量特征點(diǎn)溫度歷程曲線Fig.8 Temperature history curves of characteristic points with different flows

圖9 不同流量混凝土橫河向溫度梯度圖Fig.9 Cross-river temperature gradient diagram of concrete with different flows

圖10反映出冷卻水通水流量對S1應(yīng)力影響不大,通水期間大流量工況對應(yīng)的應(yīng)力值比小流量工況略大,通水結(jié)束后隨著外界氣溫下降,大流量工況對應(yīng)的應(yīng)力值比小流量工況略小?？傮w來說通水流量對遠(yuǎn)離水管區(qū)域的溫度場和應(yīng)力場影響較小,加大流量造成水管附近的溫度梯度小幅增加,對水管附近混凝土的早期應(yīng)力不利。

圖10 不同流量特征點(diǎn)S1應(yīng)力過程線Fig.10 S1 stress time history curves of characteristic points with different flows

4 通水溫度

4.1 計算方案

本節(jié)分別計算了冷卻水水溫分別為10 ℃、15 ℃ 和20 ℃時,流道混凝土的溫度應(yīng)力情況。冷卻水通水時間15 d,通水流量為1.5 m3/h。

4.2 溫度場與應(yīng)力場仿真結(jié)果

圖11為不同水溫特征點(diǎn)的溫度歷程曲線,選取了水管點(diǎn)S1、近水管點(diǎn)A4和遠(yuǎn)離水管點(diǎn)A5進(jìn)行分析。圖12反映了冷卻水水溫對第一層水管布置層范圍混凝土的橫河向溫度梯度的影響。相比通水流量因素,冷卻水水溫對混凝土溫度的影響更明顯:通水溫度每降低5 ℃,近水管點(diǎn)最高溫度下降約3 ℃,遠(yuǎn)離水管點(diǎn)最高溫度下降約0.7 ℃,越靠近水管,冷卻水削峰作用越明顯。同時水溫越低,通水期間混凝土溫降速率越大,通水結(jié)束后溫升幅度越大。從圖12可以看出,降低通水水溫,會顯著增加冷卻水管附近的溫度梯度。

圖11 不同水溫特征點(diǎn)溫度歷程曲線Fig.11 Temperature history curves of characteristic points with different water temperature

圖12 不同水溫混凝土橫河向溫度梯度示意Fig.12 Cross-river temperature gradient diagram of concrete with different water temperature

圖13反映了冷卻水水溫對混凝土S1應(yīng)力的影響,選取了近水管點(diǎn)A4和遠(yuǎn)離水管點(diǎn)A5進(jìn)行分析。從圖中可以看出水溫對溫度應(yīng)力的影響表現(xiàn)為:通水溫降期間水溫越低,混凝土溫降速率越大,最大應(yīng)力越大;通水結(jié)束后水溫越低,混凝土受外界氣溫傳熱影響溫升幅度越大,應(yīng)力減小幅度越大。這表明溫度過低的冷卻水會增加通水前期混凝土整體開裂風(fēng)險。

圖13 不同水溫特征點(diǎn)S1應(yīng)力歷程曲線Fig.13 S1 stress time history curves of characteristic points with different water temperature

5 結(jié)論與建議

本文采用熱流耦合精細(xì)算法模擬流道混凝土冷卻水管冷卻效果,分析流道混凝土內(nèi)部溫度場及應(yīng)力場分布特征,研究結(jié)論與建議如下。

(1) 流道結(jié)構(gòu)大應(yīng)力區(qū)位于混凝土內(nèi)部以及墩墻外表面位置,對比等效算法結(jié)果,熱流耦合精細(xì)算法考慮了水管附近溫度梯度,計算應(yīng)力值更大。

(2) 加大通水流量對削減水化溫升效果不顯著,夏季流量大于1.5 m3/h,對溫度應(yīng)力的影響已經(jīng)很小,進(jìn)一步加大流量只會增加溫控措施成本。

(3) 降低水溫能有效削減水化溫升,但加大了水管附近的溫度梯度與通水期間溫降速率,增大拉應(yīng)力,增加早齡期混凝土開裂風(fēng)險。

(4) 前衛(wèi)泵閘流道混凝土冷卻水通水建議為:夏季澆筑時進(jìn)行一期通水冷卻,冷卻水流量0.5～1.5 m3/h,水溫15～20 ℃。流道與底板結(jié)合部位是防裂重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域,需控制通水強(qiáng)度。