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(jì)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(jì)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(huì)產(chǎn)生過大拉應(yīng)力,增加結(jié)構(gòu)的開裂風(fēng)險(xiǎn),影響泵站的安全運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì),長(zhǎng)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(huì)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(jì)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(chǎng)。不少學(xué)者對(duì)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(jì)算了豎井貫流式泵站流道在不同溫降速率下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),給出不同部位的溫降速率建議值;何勇等[10]對(duì)不同季節(jié)澆筑的斜軸泵流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)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(duì)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(jì)算條件

前衛(wèi)泵閘工程位于上海市長(zhǎng)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(tái)設(shè)計(jì)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(duì)象,考慮到流道結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,選取泵房外河側(cè)1/2的流道及對(duì)應(yīng)的邊墻、底板結(jié)構(gòu)范圍作為仿真對(duì)象,如圖1所示。

底板以上流道結(jié)構(gòu)從下至上分兩個(gè)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(chǎng)仿真計(jì)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(duì)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(chǎng)仿真計(jì)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(duì)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(jí)為C30,絕熱溫升Tr隨時(shí)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(jì)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(shí)間;τ為加載齡期;C2=0.52/E0,E0=E(28)(E(28)為混凝土28 d時(shí)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(jì)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(jì)算方案

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

2.2 溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)仿真結(jié)果

高溫期澆筑的流道混凝土(最高溫度)溫度場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(jì)算方案

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

3.2 溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)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(duì)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(duì)削減混凝土內(nèi)部最高溫度不明顯,但會(huì)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(shí),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(shí),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(huì)影響其溫度,說明1.5 m3/h流量工況時(shí)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(duì)S1應(yīng)力影響不大,通水期間大流量工況對(duì)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(duì)應(yīng)的應(yīng)力值比小流量工況略小?？傮w來說通水流量對(duì)遠(yuǎn)離水管區(qū)域的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)影響較小,加大流量造成水管附近的溫度梯度小幅增加,對(duì)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(jì)算方案

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

4.2 溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)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(duì)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(duì)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(shí)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(huì)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(duì)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(duì)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(huì)增加通水前期混凝土整體開裂風(fēng)險(xiǎn)。

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(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)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(duì)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(jì)算應(yīng)力值更大。

(2) 加大通水流量對(duì)削減水化溫升效果不顯著,夏季流量大于1.5 m3/h,對(duì)溫度應(yīng)力的影響已經(jīng)很小,進(jìn)一步加大流量只會(huì)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(xiǎn)。

(4) 前衛(wèi)泵閘流道混凝土冷卻水通水建議為:夏季澆筑時(shí)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。