上海市前卫泵站流道结构精细化温控仿真

段 炼,王家骐

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092)

0 引 言

泵站的进出口流道结构尺寸大于1 m,依据SL 191-2008《水工混凝土结构设计规范》,属于大体积混凝土范畴。若施工过程中温控措施不合理,混凝土浇筑块内外温差过大,加之构成空间为复杂异形体,新浇混凝土受到下层老混凝土的变形约束,在温度荷载的作用下会产生过大拉应力,增加结构的开裂风险,影响泵站的安全运行。据统计,长江流域部分省份的泵站工程中,约有60%的泵站流道存在裂缝的问题[1]。

温控防裂的核心在于减小混凝土内外温差,内埋冷却水管是降低混凝土内部水化热温升最直接的措施,若使用不当会在水管附近产生较大温度梯度,引起局部开裂,因此在仿真过程中需要考虑冷却水管的真实影响。现阶段研究中,大体积混凝土通水冷却问题较好的计算方法有热流耦合精细算法[2-5],广泛采用的有限元等效算法[6-8],热流耦合精细算法能考虑水管实际埋设、布置情况及在冷却混凝土过程中管内水温的沿程升高情况,从而获得更为准确的温度场。不少学者对预埋冷却水管的流道混凝土展开了仿真研究:张兰兰等[9]计算了竖井贯流式泵站流道在不同温降速率下的温度场和应力场,给出不同部位的温降速率建议值;何勇等[10]对不同季节浇筑的斜轴泵流道结构进行仿真计算,提出结构面保温与通水冷却相结合是提高流道结构抗裂性能的有效措施。但目前少有学者采用考虑冷却水管真实布置的算法进行仿真研究。

本文依托上海前卫泵闸工程,采用热流耦合精细算法分析预埋水管流道结构的水冷特征,对流道结构进行冷却水通水流量及通水温度参数敏感性分析,给出夏季浇筑的前卫泵闸流道混凝土结构通水冷却建议方案,旨在为相似流道结构的大体积混凝土温控工作提供参考。

1 工程概况及计算条件

前卫泵闸工程位于上海市长兴岛中部北沿,工程平面布置采用“泵+闸”的布置方案,节制闸布置于东侧,泵站布置于西侧。泵房为现浇钢筋混凝土结构,包括底板、墩墙、流道及上部建筑结构等,站身内布置4台设计流量为5 m3/s的潜水贯流泵,机组间由墩墙隔开。进出水流道净宽为3.4 m,高2.7 m,机组之间隔墩厚1.0 m,边墩厚1.2 m。本文选取前卫泵闸泵站流道为研究对象,考虑到流道结构的对称性,选取泵房外河侧1/2的流道及对应的边墙、底板结构范围作为仿真对象,如图1所示。

底板以上流道结构从下至上分两个浇筑层浇筑,浇筑层信息见表1。水管分3层布置,流道结构布置两层水管,第1层水管高程-1.5 m,第2层水管高程-0.5 m,流道以上结构布置第3层水管,水管高程0.20 m,水管与结构外表面间距0.5 m。

表1 浇筑层信息Tab.1 Pouring layer information

采用热流耦合精细算法模拟冷却水效果[3-6]。混凝土及基础有限元网格采用8节点六面体单元,水管单元采用Fluid 116热流耦合单元离散。有限元模型及水管的空间布置型式如图2所示。温度场仿真计算中,底板的四周和底面为绝热边界,上表面为散热边界。结构对称面和边墩侧面为绝热边界,其他表面均为散热边界。应力场仿真计算中,底板的顺河向两侧施加法向约束,底面施加全约束,其他面为自由边界。

图2 流道混凝土与水管单元空间相对关系Fig.2 Relative spatial relationship between passageways concrete and water pipe finite elements

泵站流道及混凝土强度等级为C30,绝热温升Tr随时间t变化采用朱伯芳[7]提出的双曲线公式拟合:

(1)

混凝土徐变度计算公式采用朱伯芳[7]提出的8参数的指数函数式:

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为持载时间;τ为加载龄期;C2=0.52/E0,E0=E(28)(E(28)为混凝土28 d时的弹性模量),混凝土弹性模量(单位:GPa)及抗拉强度(单位:MPa)计算式为

C30混凝土弹性模量:

E(τ)=38.0×(1-e-0.28τ0.52)

(3)

C30混凝土抗拉强度:

ft(τ)=3.0×(1-e-0.34τ0.75)

(4)

混凝土热学参数见表2。考虑到流道下层受底板约束更大,选取第一层水管(高程-1.50 m)附近混凝土为温度及应力特征代表点进行分析,如图3所示。其中S1和S2为水管处特征点,A10为混凝土表面特征点,A3,A4,A7和A8为近水管特征点,其余为远离水管的特征点。

表2 混凝土热学参数Tab.2 Thermal parameters of concrete

图3 混凝土内特征点位置示意(高程-1.50 m)Fig.3 Schematic diagram of characteristic points in concrete (elevation is -1.50 m)

2 热流耦合精细算法仿真结果

2.1 计算方案

流道混凝土浇筑后即进行冷却水降温,通水时间15 d,通水流量1.5 m3/h,采用15 ℃制冷水冷却。

2.2 温度场与应力场仿真结果

高温期浇筑的流道混凝土(最高温度)温度场包络图,如图4所示。从包络图可以看出,高温区主要集中于流道混凝土内部以及绝热面处,最高温度达到54.92 ℃。热流耦合精细算法可以细致反映埋设水管后混凝土结构内部温度分布,离水管越近的混凝土受冷却水的冷却作用越明显,混凝土内部沿水管径向形成温度梯度。在埋设第一层水管和第二层水管的混凝土层,因为混凝土结构尺寸大,高温区形成于混凝土内部相邻水管之间,高温区温度为50～54 ℃。在埋设第三层水管的区域,由于相邻水管间距小,混凝土水管冷却作用更为充分,因此混凝土内部温度分布更为均匀,整体温度在38～44 ℃。

图4 各水管布置层位置混凝土温度场剖面图(单位:℃)Fig.4 Concrete temperature field profile at each water pipe layout layer

图5反映了混凝土浇筑0.5,1,7 d和20 d后流道横河向剖面的温度梯度情况。从图中可以看出:水管之间温度最高,距离水管越近,混凝土内部温度梯度越大,温降越明显。在通水1 d左右温度梯度达到最大值。

图5 混凝土横河向温度梯度图Fig.5 Cross-river temperature gradient diagram of concrete

图6反映了流道混凝土结构内各水管布置层的S1应力场分布。位于第一层和第二层水管布置层范围混凝土的大应力区集中于水管之间的区域,第一层水管布置层范围的混凝土处于强约束区,大应力区达到1.8～2.0 MPa;第二层水管布置层范围的混凝土受到的变形约束更小,大应力区为1.2～1.5 MPa。第三层水管布置层范围的混凝土由于内部温度梯度小,变形约束小,整体应力降至0.9 MPa以下。

图6 流道混凝土S1应力平面包络图Fig.6 S1 stress plane envelope diagram of passagewaysconcrete

图7比较了等效算法与热流耦合精细算法顺河向最大应力包络图,两种算法得到的大应力区均为流道混凝土内部以及墩墙外表面位置。热流耦合精细算法细致反映出水管附近温度梯度产生的温度应力,因此热流耦合精细算法得到的最大应力值大于等效算法的最大应力值。

3 通水流量

3.1 计算方案

计算了冷却水流量分别为0.5,1.5 m3/h和8.5 m3/h 时,流道混凝土的温度应力情况。冷却水通水时间15 d,水温为15 ℃。

3.2 温度场与应力场仿真结果

图8为第一层水管布置层不同通水流量特征点温度历程曲线,选取了水管点S1、混凝土表面点A10、近水管点A4和远离水管点A5进行分析。图9反映冷却水流量对第一层水管布置范围混凝土的横河向温度梯度的影响。从图9可以看出,增加通水流量对削减混凝土内部最高温度不明显,但会导致水管附近混凝土早期温度骤降,越靠近水管,温度降低越明显。当通水流量由0.5 m3/h增加到1.5 m3/h时,近水管点最高温度下降0.6 ℃;当通水流量由1.5 m3/h增加到8.5 m3/h时,近水管点最高温度仅下降0.2 ℃,水管点S1通水方向改变几乎不会影响其温度,说明1.5 m3/h流量工况时冷却已经很充分,冷却水与周围混凝土的热量交换减少,继续加大通水流量难以进一步产生削峰效果。

图8 不同流量特征点温度历程曲线Fig.8 Temperature history curves of characteristic points with different flows

图9 不同流量混凝土横河向温度梯度图Fig.9 Cross-river temperature gradient diagram of concrete with different flows

图10反映出冷却水通水流量对S1应力影响不大,通水期间大流量工况对应的应力值比小流量工况略大,通水结束后随着外界气温下降,大流量工况对应的应力值比小流量工况略小。总体来说通水流量对远离水管区域的温度场和应力场影响较小,加大流量造成水管附近的温度梯度小幅增加,对水管附近混凝土的早期应力不利。

图10 不同流量特征点S1应力过程线Fig.10 S1 stress time history curves of characteristic points with different flows

4 通水温度

4.1 计算方案

本节分别计算了冷却水水温分别为10 ℃、15 ℃ 和20 ℃时,流道混凝土的温度应力情况。冷却水通水时间15 d,通水流量为1.5 m3/h。

4.2 温度场与应力场仿真结果

图11为不同水温特征点的温度历程曲线,选取了水管点S1、近水管点A4和远离水管点A5进行分析。图12反映了冷却水水温对第一层水管布置层范围混凝土的横河向温度梯度的影响。相比通水流量因素,冷却水水温对混凝土温度的影响更明显:通水温度每降低5 ℃,近水管点最高温度下降约3 ℃,远离水管点最高温度下降约0.7 ℃,越靠近水管,冷却水削峰作用越明显。同时水温越低,通水期间混凝土温降速率越大,通水结束后温升幅度越大。从图12可以看出,降低通水水温,会显著增加冷却水管附近的温度梯度。

图11 不同水温特征点温度历程曲线Fig.11 Temperature history curves of characteristic points with different water temperature

图12 不同水温混凝土横河向温度梯度示意Fig.12 Cross-river temperature gradient diagram of concrete with different water temperature

图13反映了冷却水水温对混凝土S1应力的影响,选取了近水管点A4和远离水管点A5进行分析。从图中可以看出水温对温度应力的影响表现为:通水温降期间水温越低,混凝土温降速率越大,最大应力越大;通水结束后水温越低,混凝土受外界气温传热影响温升幅度越大,应力减小幅度越大。这表明温度过低的冷却水会增加通水前期混凝土整体开裂风险。

图13 不同水温特征点S1应力历程曲线Fig.13 S1 stress time history curves of characteristic points with different water temperature

5 结论与建议

本文采用热流耦合精细算法模拟流道混凝土冷却水管冷却效果,分析流道混凝土内部温度场及应力场分布特征,研究结论与建议如下。

(1) 流道结构大应力区位于混凝土内部以及墩墙外表面位置,对比等效算法结果,热流耦合精细算法考虑了水管附近温度梯度,计算应力值更大。

(2) 加大通水流量对削减水化温升效果不显著,夏季流量大于1.5 m3/h,对温度应力的影响已经很小,进一步加大流量只会增加温控措施成本。

(3) 降低水温能有效削减水化温升,但加大了水管附近的温度梯度与通水期间温降速率,增大拉应力,增加早龄期混凝土开裂风险。

(4) 前卫泵闸流道混凝土冷却水通水建议为:夏季浇筑时进行一期通水冷却,冷却水流量0.5～1.5 m3/h,水温15～20 ℃。流道与底板结合部位是防裂重点关注区域,需控制通水强度。