夏季采用商品混凝土浇筑大型泵站的温度和应力控制

章景涛 郑学瑞 裘华锋 张南南 强 晟

(1.河海大学 水利水电学院，南京 210098；2.浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002)

泵站承担着农田灌溉、城市供水、跨区域调水及区域排涝等任务.随着对泵站工程需求的增加，大型泵站和特大型泵站日益增多，作为区域调水及排涝的重要工程，大型泵站的结构耐久性及安全性备受重视[1].但是由于泵站流道结构复杂、墩墙厚度变化大等原因，很容易在施工期及运行期出现不同程度的裂缝[2].在各省在建和已建的泵站中，很多泵站特别是泵站的流道部分出现了裂缝[3].裂缝的存在和发展，不仅影响泵站结构的外观、削弱其承载力，还会带来渗漏、钢筋锈蚀、保护层剥落、混凝土碳化加快等一系列问题[4].长期以来，国外工程界把温度控制视为防止大体积混凝土裂缝的方法，有一定的道理但不全面，控制应力才是防止混凝土裂缝的方法[5].根据之前的研究，“表面保温+内部水管降温”的温控措施已经被提出并应用[6-8]，但近年来的实践表明，在某些极端条件下仅仅通过温度控制措施仍无法达到防裂的目标，有必要进一步研究减小其拉应力的方法.

1 工程概况

某大型贯流式泵站设计排涝流量为250m3/s，由5台单泵流量为50m3/s的贯流泵组成.泵房段采用分段式钢筋混凝土结构，根据机组与上部房建布置，在顺水流方向分为两段，上游侧的机组段顺水流方向长度为28.75m，下游侧的出水流道段顺水流方向长度为23m，泵房段顺水流方向总长度为51.75m.单个机组段的宽度为14.7m，浇筑块的横河向的分缝间距是0.50m.因为该泵站流道部分结构复杂，底板和流道在夏天进行浇筑施工，所采用的商品泵送混凝土无法控制浇筑温度，水泥用量较大，水化热温升难以控制，自生体积收缩变形也较大，材料、结构、施工、环境气温方面的不利因素叠加，导致泵站在施工期容易产生裂缝[9]，必须对泵站进行施工期温度场和应力场仿真计算，提出相应的防裂方案，降低产生裂缝的可能性，使得泵站能够顺利施工并能长久安全的运行.

2 基本计算原理

2.1 非稳定温度场的基本理论[5]

在混凝土计算域R内任何一点处，不稳定温度场T(x，y，z，t)必须满足热传导控制方程

式中T为温度 ℃α为导温系数mhθ为 混 凝土绝热温升(℃)；t为时间(d)；τ为龄期(d).

2.2 水管冷却混凝土温度场的计算方法[10-11]

根据傅立叶热传导定律和热量平衡条件，可得水管沿程水温增量为：

式中，qw、cw和ρw分别为冷却水的流量(m3/s)，比热容[kJ/(kg·℃)]和密度(kg/m3)；λ为混凝土导热系数[kJ/(m·h·℃)]；n为水管外表面混凝土面的外法线向坐标.

2.3 徐变应力求解的基本理论[5]

混凝土在复杂应力状态下的应变增量常常包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积变形增量，因此有

3 主要计算参数

3.1 气温资料

该泵站所在地多年月平均气温拟合成余弦曲线公式如下，同时考虑±6℃的昼夜温差：

3.2 地基主要参数

因为底板下方是C25混凝土桩和淤泥质粉质粘土组成的复合地基，根据C25混凝土的参数以及地基中土与桩的体积比进行算术平均，获取地基的等效热学和力学参数见表1.

表1 地基等效热学和力学参数

3.3 混凝土主要热学和力学参数

泵站主要用C25 商品混凝土进行浇筑，配合比见表2.参考类似工程，得到热力学参数[12]，见表3.

表2 C25混凝土配合比

表3 混凝土计算参数

表面换热系数根据现场各结构不同时段的表面覆盖情况和风速而定.计算考虑的荷载有温度荷载、自由体积变形、徐变、自重.

4 仿真计算分析

4.1 计算模型

由于泵站顺河向分两段浇筑，分别为进口段和出口段.进口段的有限元模型如图1所示，单元总数为58482个，节点总数为68845个.出口段的有限元模型如图2 所示，单元总数为72054 个，节点总数为82450个.

图1 进口段总体有限元模型

图2 出口段总体有限元模型

温度场仿真计算中，地基的四周和底面为绝热边界，上表面为散热边界，结构对称面为绝热边界.施工临时缝面、结构永久缝面当未被覆盖时为散热边界，覆盖后为绝热边界，其他表面均为散热边界.应力场仿真计算中，地基的四周和底面施加法向约束，上表面为自由边界.结构对称面施加法向约束，结构永久缝面为自由边界，其他表面为自由边界[13].

4.2 特征点

为了显示典型关键位置的温度和应力随龄期的发展历时过程，选取进口段的特征点1、2作为典型特征点进行分析，其中特征点1是进口段流道薄墩墙的内部点，特征点2是特征点1对应的流道薄墩墙的内部表面点.图3是特征点1，2的位置示意图.

图3 特征点1、2位置示意图

4.3 主要计算工况和结果分析

工况1：按照现有的结构分缝(两孔一联)，以及计划的浇筑进度进行施工，夏季商品泵送混凝土自然入仓，无任何温控防裂措施.根据工程经验，浇筑温度设为36℃.

工况2：在工况1的基础上，采用水管冷却，对高温季节浇筑的混凝土(底板、流道)采用直径4cm 的钢管，布置密度为0.5m×0.5m，采用河水进行冷却，通水7d，龄期前2d的流量为72m3/s，龄期2～7d的流量逐步减小.其中，冷却水采用河水，进水口水温取当地日均气温.

工况3：在工况2的基础上，将所有浇筑块的间歇期都设为7d，掺入膨胀剂减小80%的自生体积收缩变形.同时将机组段的横河向浇筑尺寸减小为一个机组段的宽度，即每个机组段两侧均设永久横缝，进一步减小约束.将底板和流道混凝土的浇筑温度从36℃控制在30℃，并采用20℃的人工制冷水代替河水进行水管冷却.

工况4：在工况3的基础上，在混凝土表面覆盖一层塑料膜保湿防风，塑料膜一共覆盖30d.降低底板和流道下层混凝土的浇筑温度在25℃，其他浇筑层限制在30℃.本工况的防裂措施为高温浇筑条件下的相对最优工况.

图4～7是特征点1、2各个工况的历时曲线对比图.

图4 特征点1的早龄期温度历时曲线对比图

图5 特征点1的应力历时曲线对比图

图6 特征点2的早龄期温度历时曲线对比图

图7 特征点2的应力历时曲线对比图

取工况1和工况4作为典型工况进行结果分析.

工况1结果分析：在夏季浇筑条件下，如果没有任何温控措施，则混凝土内部最高温度基本在60～80℃，内部最大拉应力达到6～8MPa，长墙体的中部必将发生贯穿性裂缝或深层裂缝，底板也会产生一些裂缝.因此，有必要采取温度控制等防裂措施.

工况4结果分析：在该工况的多项防裂措施联合作用下，底板内的最高温度降为47.2℃，流道下部混凝土的最高温度降为54.7℃.这两个结构顺河向中部的最大拉应力分别降至2.2MPa和1.7MPa，最小防裂安全系数分别为1.18和1.53.流道上部混凝土顺河向中部的最高温度为61.6℃(厚墙内)，最大拉应力为2MPa(薄墙顺河向中部)，对应的防裂安全系数是1.30.由于流道上部体积最大部分结构的上表面加强了表面保温厚度，减小了此处的内外温差，这里的表面最大拉应力从3.5MPa降至2.3MPa，已经低于抗拉强度，对应防裂安全系数是1.13.

5 结论与建议

夏季采用商品泵送混凝土浇筑大型贯流式泵站时，在没有任何温控措施情况下，中下部的大体积混凝土非常容易发生裂缝，而仅仅依靠水管冷却是无法完全达到防裂效果的，必须采用综合的防裂措施.具体措施建议如下，希望对同类型工程有参考价值：

1)结构调整：将每个机组段的单侧墩墙都加厚到1.5m，保持每个流道两侧的墩墙厚度对称；对直角应力集中处修圆并加密钢筋.

2)施工分块：将每个机组段都作为独立的浇筑块，即横河向分缝间距就是一个机组段的宽度.将各浇筑层实施短间歇连续浇筑，间歇期控制在7d左右.有永久缝分开的浇筑块之间的间歇期可以比较长.

3)掺外加剂：混凝土内掺入缓凝剂，减缓水化放热速度，使水管冷却和结构临空面散热能及时充分地发挥作用.混凝土内掺入膨胀剂，大幅减小自生体积收缩变形.

4)温度控制：底板和流道混凝土埋设冷却水管，水管间距0.5m×0.5m，采用15～18℃的人工制冷水或地下水进行冷却.冷却水管采用直径4cm 的钢管，预先架立在仓内，需注意水管接头处做好密封，混凝土浇筑时就开始通水冷却.

5)表面养护：按照施工规范进行表面保湿养护.确保混凝土龄期30d内表面始终有模板或一层土工膜覆盖，流道顶部上表面龄期30d内覆盖2层复合土工布.