三维约束条件下混凝土结构温度应力仿真分析

邓柏旺

摘要：为减少施工过程中大体积混凝土墩墙和底板温度裂缝的产生，利用有限元分析软件对三维约束条件下的大体积混凝土墩墙和底板进行有限元温度应力仿真分析。分析了大体积混凝土墩墙和底板在三维约束条件下的温度及应力变化过程。结果表明：该工程混凝土结构最高温度和最大拉应力发生在底板中心区域；三维约束区域侧面约束点拉应力较底板拉应力显著增大，有产生裂缝的风险，重力作用将底部约束点拉应力转化为压应力。在此基础上，针对其可能出现的温度裂缝分布情况，提出相关预防措施。研究成果可为类似工程提供理论依据。

关键词：三维约束条件； 大体积混凝土； 墩墙； 底板； 温度应力； 仿真分析

中图法分类号：TV523

文献标志码：A

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

文章编号：1006-0081（2023）S2-0066-05

0 引 言

泵闸作为一种具有多重水利效用的混凝土构筑物［1］，在平原地区广泛应用。与以往的大体积混凝土结构相比，这类墙体混凝土结构型式单薄、受力条件复杂，在施工期更容易出现温度裂缝［2］。通过对国内工程调查发现，泵闸在施工期开裂较为普遍［3-5］。有关泵闸墩墙和底板混凝土结构施工期间常规荷载应力、温度应力、收缩应力和徐变应力非恒定时空问题的仿真求解受到学者广泛关注［6］。

目前，国内外混凝土结构温度场、温度应力以及温控措施的研究已经较为成熟，但对混凝土结构在空间各方向受约束时温度场、应力场分布情况的研究较少［7-9］。本文选取张马泵站工程为研究对象，结合该工程实际气温环境、材料特性参数以及站身主体底板及墩墙浇筑方案，对整个浇筑过程进行了仿真模拟，分析施工期底板及墩墙的温度场和应力场时空变化规律。在此基础上，重点进行了三维约束条件下混凝土的温度、应力分析，可为类似工程施工过程中采取裂缝控制措施提供参考［10～12］。

1 工程概况

张马泵站工程位于上海市青浦区东泖河东岸的西长港支河口，张马套闸南侧。张马泵站工程外河侧堤防属于太湖流域防洪工程，釆用50 a一遇洪水设计，100 a一遇洪水校核。泵站规模为大（2）型，工程等别为Ⅱ等，建设规模为双向引排水60 m3/s，泵站主要建筑物均为2级水工建筑物，其他永久性建筑物为3级水工建筑物，内、外河围堰等临时性建筑物为4级水工建筑物。

张马泵站工程墩墙高度为5.7 m，厚度0.4 m，底板厚度1.0 m，底板和墩墙分步施工。浇筑底板时，在底板与泵站流道层上部结构墩墙位置预留深度为0.5～0.6 m槽口，该部分混凝土与泵站流道层墩墙一起浇筑。采用该种浇筑方式，不仅有利于提升混凝土结构的整体性和浇筑质量，还便于进行止水处理。

2 三维约束条件

在一般泵闸施工过程中，站身主体底板及墩墙需分两次浇筑，在两次浇筑之间必然会存在施工缝。现有施工方法主要为以下两种：① 在浇筑底板时带起0.5 m左右高度的墩墙混凝土，将施工缝布置在墩墙上；② 在浇筑底板时将底板混凝土面浇平，后续在墩墙施工位置直接凿毛作为施工缝。

第一种方法是目前施工中较常用方法，其优点在于可以减弱底板對后浇墩墙的约束，释放墩墙混凝土内部拉应力，但在施工中需要注意施工缝处凿毛质量及止水措施，且施工分缝处墩墙受力（弯矩）较大。同时，此种方法对于进出水流道复杂的泵站施工难度较大，且流道混凝土浇筑整体性较差。第二种方法主要应用于进出水流道复杂的泵站，适用于底板浇筑时流道层下部模板放置困难或流道层模板复杂而使浇筑作业面狭小、影响浇筑质量的情况，其主要弊端在于不易控制施工缝质量、施工缝处止水效果一般，且因底板约束较大，容易使上部墩墙混凝土产生裂缝。

根据该工程的基本情况，针对上述第二种浇筑方案，总结已有经验，提出一种混凝土浇筑改进方法：浇筑底板时，在底板与泵站流道层上部结构墩墙位置预留深度为0.5～0.6 m槽口，该部分混凝土将与泵站流道层墩墙一起浇筑，以一弧形墩墙为例，底板及墩墙连接见图1。此种混凝土浇筑方法可将施工缝留在底板内侧，增强底板与墩墙混凝土结构的整体性，且施工缝处上、下混凝土结构之间的止水处理也很方便，能大大缓解因流道结构复杂、底板浇筑操作面小等原因带来的上、下两层结构浇筑质量不高的问题。

针对该施工方法，墩墙新浇混凝土留有0.5～0.6 m 厚的凸齿置于底板内。该部分混凝土因其位置特殊性，在水化凝结、强度不断上升的过程中，自身膨胀、收缩变形均受到先浇底板混凝土、上部结构后浇混凝土的约束，在空间上其约束边界可认为是三维的，这与现今主流施工方法底板上墩墙混凝土浇筑后的受力、约束特性有较大不同。因此，研究该部分混凝土在三维约束条件下的温度及应力变化过程，分析其可能出现的温度裂缝分布情况，提出合理的防裂、限裂措施，可为该混凝土分缝浇筑方法的实际推广应用提供技术支撑。

3 泵闸结构混凝土裂缝产生机理分析

泵闸结构混凝土裂缝产生主要是因为混凝土内部拉应力大于自身抗拉强度，造成这种情况的因素主要有：① 混凝土的收缩和温差;② 混凝土的内外约束。

混凝土裂缝的产生和扩大不仅与自身浇筑温度、强度、浇筑质量、结构形式、尺寸和环境温度等有关，也与施工过程中所处的位置、拆模时间等密切相关。根据裂缝出现的时间划分，主要可分为早期裂缝和后期裂缝两类。

早期裂缝多数发生在浇筑初期3～4 d，裂缝的表现形式一般是“由表及里”型，迹线长而高，启裂点往往位于混凝土的表面，开裂的主要原因是内外温差。由于水泥的水化反应，混凝土结构内各个部位由于温升不同引起体积变化，相互约束而产生拉应力，内部温度温升幅度大的混凝土膨胀变形受到外部混凝土的约束，在混凝土表面产生拉应力，而在混凝土内部产生压应力。表面裂缝出现后很可能向纵深发展，最终形成贯穿性裂缝或深层裂缝。因此，在施工期应特别注意混凝土表面的防裂工作。

后期裂缝的出现主要是由于温降收缩变形和外在约束联合作用，其表现形式往往为“由里及表”型，迹线短、位置低。在混凝土内部温度达到峰值后，温度缓慢降低，早期的压应力将逐渐转化为拉应力，越到后期温降幅度越大，温缩变形也就越大，混凝土内部后期的拉应力也越大。在混凝土温升过程中，会在其内部产生压应力，无法抵消温降阶段产生的拉应力，原因在于混凝土温升阶段弹性模量较小，单位温升所产生的压应力较小；而在混凝土温降阶段，混凝土强度快速提高，弹模增大，单位温降所产生的拉应力就较大。因此，后期裂缝的启裂点通常位于混凝土内部。由于泵闸结构墩墙混凝土结构长度方向的尺寸远大于厚度方向，结构整体收缩表现出来的拉应力也比较大，裂缝一旦出现都将是贯穿性的。

4 基本假设及边界条件

本文进行温度应力仿真分析时主要采用以下假设：① 环境温度为恒温条件；② 混凝土为均质体，初始温度及发热形式相同；③ 采用分层浇筑的方式，首先进行底板的施工，在底板上预留凹槽，达到强度要求后进行上部墩墙结构的施工。

本文在定义水化热温度场的过程中，主要采用以下几种边界条件：① 基础边界为固定约束条件；② 整个模型为对称结构，本次模拟取一段具有代表性的墩墙进行温度应力仿真分析，因此在y方向上需采取对称边界条件；③ 对流边界条件分为两个阶段，底板施工阶段以及墩墙施工阶段，将两阶段与大气表面直接接触面定义为对流边界；④ 墩墙施工阶段，定义底板与墩墙的接触面为热传导边界。

5 温度应力模拟

5.1 建 模

进行底板以及墩墙的建模工作，同时进行六面体单元的分割，共划分为1 450个六面体单元，六面体单元分割模型见图2。底板和墩墙均采用C30混凝土浇筑，底板浇筑10 d后开始进行混凝土墩墙的浇筑。

5.2 混凝土底板散热分析

混凝土底板浇筑完成1 d左右，水化热温度达到最大值，底板中心点的最高温度为58.17 ℃（未添加管冷），水化热持续7 d左右后温度趋于平稳，恢复至20 ℃左右。在底板模型上选择特征点位，包括底板表面中心温度最高点N935以及底板内部中心温度最高点N649，混凝土底板特征点温度时程图和应力时程图见图3～4。

从图3和图4可以看出：① 底板内部中心点N649与底板表面中心点N935水化热的温差在26 h左右达到最大值，约20 ℃；② 底板混凝土温度达到最大值后开始降温，7 d后温度恢复至20 ℃左右。③ 底板内部中心点N649最大拉应力发生在26 h左右，最大拉应力为3.89 MPa；底板表面中心点N935最大拉应力发生在26 h左右，最大拉应力为1.20 MPa。

经分析，由于底板厚度较大，混凝土内产生热量积聚，从而在内部形成温度应力及温度梯度。内外温差达到一定量时，会导致混凝土开裂。

5.3 混凝土墩墙散热分析

混凝土底板浇筑完成后10 d，开始进行混凝土墩墙的浇筑。混凝土墩墙浇筑完成1 d左右，水化热温度达到最大值，墩墙中心点的最高温度为57.16 ℃（未添加管冷），水化热持续7 d左右后温度趋于平稳，恢复至20 ℃左右。在混凝土墩墙模型上选择特征点位，取其温度值最高值，包括墩墙迎水侧表面中心点N1380、墩墙内部中心点N1385以及墩墙背水侧表面中心点N1331。混凝土墩墙特征点温度时程图和应力时程图见图5～6。

从混凝土墩墙特征点温度时程图可以看出：① 墩墙内部中心点N1385水化热的温度在浇筑后26 h左右与墩墙迎水侧表面中心点N1380水化热的温差达到最大值，温差最大值约18 ℃；② 墩墙内部中心点N1385水化热的温度在浇筑后26 h左右与墩墙背水侧表面中心点N1331水化热的温差达到最大值，温差最大值约20 ℃；③ 混凝土墩墙温度达到最大值后开始降温，浇筑后7 d后温度恢复至20 ℃左右。④ 墩墙内部中心点N1385最大拉应力发生在浇筑后26 h左右，最大拉应力为1.82 MPa。

经分析，由于墩墙厚度小于底板厚度，在墩墙混凝土内部形成温度应力及温度梯度均小于底板处。

5.4 三维约束条件下混凝土结构散热分析

三维约束区域主要是墩墙和底板结合部位，在三维约束区域选择特征点位，取温度值最高值，包括背水侧约束点N863、N720，底部约束点N577、N1003及N1004，以及迎水侧约束点N1201、N1266。三维约束特征点温度时程图、侧面约束点应力时程图、底部约束点应力时程图见图7～9。

根据图7可以看出，在底板浇筑后水化热发生期间，特征点温度在26 h左右达到最高值，为30.00～42.52 ℃；在墩墙浇筑结束后26 h左右，水化热达到最大值，为30.00～36.50 ℃。由于墩墙浇筑时，底板的水化热反应已完全结束，底板可以默认为固定温度状态，因此三维约束点温度上升速度减缓；

根据图8，与底板浇筑期间最大拉应力相比，墩墙浇筑期间侧面约束点最大拉应力显著增大，最大拉应力值为2.00～3.00 MPa；

根据图9可以看到，墩墙浇筑期间底部约束点无拉应力，因此墩墙浇筑期间，底部约束点产生裂缝的可能性较低。

经分析，受三维约束空间环境的限制，该区域混凝土自身膨胀、收缩变形均受到先浇底板混凝土、上部结构后浇混凝土的约束，受力情况复杂。与底板浇筑期间最大拉应力相比，三维约束区域侧面约束点拉应力显著增加，有产生裂缝的风险。受墩墙重力影响，与底板浇筑期间相比，底部约束点拉应力转化为压应力，墩墙浇筑期间，底部约束点无拉应力，因此墩墙浇筑期间，底部约束点产生裂缝的可能性较低。

6 結 论

通过对张马泵站工程三维约束条件下墩墙及底板的有限元温度应力全过程的模拟分析，总结现场易发生裂缝的薄弱点，可指导现场混凝土结构施工，达到工程底板、墩墙的降温及裂缝控制要求。根据有限元分析结果，得到以下结论：① 该工程底板和墩墙浇筑期间，最高温度和最大拉应力发生在底板中心区域，极易产生温度裂缝；② 与底板浇筑期间最大拉应力相比，三维约束区域侧面约束点拉应力显著增加，有产生裂缝的风险；③ 墩墙浇筑期间，底部约束点无拉应力，因此该期间底部约束点产生裂缝的可能性较低。

综上所述，针对张马泵站底板和墩墙施工，推荐采取以下措施：底板中心是产生裂缝的重点区域，施工中应采取有效的降温措施，包括严格控制入仓温度、优化布设冷却水管等；三维约束区域侧面区域是产生裂缝的重点区域，第一阶段施工完成后，应加强对侧面区域的养护。

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