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泵站施工期温控防裂敏感性分析研究

2021-11-10 01:06 已有人浏览
本文摘要:摘要:以化子闸泵站工程为例,思量冷却水温度、通水流量、水管间距、混凝土浇筑温度、保温层厚度以及后浇带宽度等因素,使用三维有限元盘算法式,对泵站施工期的混凝土温度与应力举行数值模拟。效果讲明,改变水管间距对混凝土冷却效果的影响较为显着;设置后浇带对温度应力有较大的释放;水管通水水温、混凝土浇筑温度与发生的拉应力出现线性增长。 水管通水流量凌驾一定值时泵站冷却效果不佳。保温措施能有效制止低温季节浇筑早期发生的外貌裂痕。

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摘要:以化子闸泵站工程为例,思量冷却水温度、通水流量、水管间距、混凝土浇筑温度、保温层厚度以及后浇带宽度等因素,使用三维有限元盘算法式,对泵站施工期的混凝土温度与应力举行数值模拟。效果讲明,改变水管间距对混凝土冷却效果的影响较为显着;设置后浇带对温度应力有较大的释放;水管通水水温、混凝土浇筑温度与发生的拉应力出现线性增长。

水管通水流量凌驾一定值时泵站冷却效果不佳。保温措施能有效制止低温季节浇筑早期发生的外貌裂痕。同时,选取优化温控方案对化子闸泵站施工期温度、应力场举行了仿真分析。

效果讲明:温控措施优选合理,泵站内外温差、早期外貌拉应力及后期内部拉应力均处于宁静可靠规模,可为泵站工程宁静运行提供参考依据。关键词:泵站工程; 温控防裂; 敏感性分析; 通水冷却; 有限元盘算;作者简介: 江敏敏(1989—),男,博士研究生,研究偏向为大要积混凝土温控防裂。

E-mail:1260609551@qq.cn; 蔡新(1964—),男,教授,博士研究生导师,博士,主要从事水工结构现代设计理论与方法应用研究。E-mail:xcai@hhu.edu.cn;基金:江苏省水利科技项目(2015566369);引用:江敏敏,蔡新,郭兴文,等. 泵站施工期温控防裂敏感性分析研究[J]. 水利水电技术,2020,51(2): 105-112.JIANG min min,CAI Xin,GUO Xingwen,et al. Analysis and study on sensitivities of temperature control and cracking prevention during construction of pumping station[J]. Water Resources and Hydropower Engineering,2020,51(2): 105-112.0 引 言泵站工程广泛应用于农业灌排、工业生产、城镇建设、跨流域调水等领域。泵站底板、墩墙等结构一般属于大要积混凝土领域,浇筑初期由于水泥水化的作用,混凝土的温度会不停升高,因混凝土各部位结构形状及尺寸差别,导致散热能力差异,引起混凝土内部的温度漫衍不匀称,造成流道渐变段等特殊部位容易泛起裂痕。

另一方面,降温阶段泵站混凝土的收缩变形因受基础或底板的约束而发生拉应力,温度降幅越大,约束作用越强,发生的拉应力值越大。泵站结构长度偏向的尺寸远大于厚度偏向且直接浇筑在底板上,结构整体收缩体现的拉应力都比力大,泛起内部裂痕则容易生长成贯串性裂痕。因此,如何有效地制止墩墙发生裂痕是科研及工程技术人员都极为关注的问题。

对于防止泵站开裂的温控方案较多,乜树强先容了泵站混凝土结构温控防裂方法,建议了合理的施工分层、延迟拆模、模板外貌保温力度、改变浇筑层厚、设置流道肘部砌石体、水管冷却方法、寒潮和昼夜温差冷击防御等详细工程措施与方法,充实分析了它们对泵站典型混凝土结构温度和应力的影响。陈守开等论述了泵站裂痕成因,提出了相应的防止措施,得出早期内外温差和外部约束是发生外貌裂痕的主要原因。

接纳了外貌保温、水管冷却及设置砌体等方法来防止墩墙混凝土发生温度裂痕。朱丽娟等针对某控制闸提出了合理摆设施工顺序、优化混凝土配合比、控制入仓温度、掺入聚丙烯腈纤维、增设温度钢筋、设置膨胀增强带等温控措施,消灭了却构的温度裂痕,效果良好。

陆银军在分析进水流道的易裂部位和开裂机理的基础上,提出有效防裂措施,包罗控制浇筑温度在28 ℃以内,同时接纳塑料管冷却及拆模后的外貌保温措施。现在,部门学者总结了泵站施工期开裂的影响因素,但对开裂因素的总结还不够全面,且敏感性分析较少,缺乏对于这些因素之间的对比总结,难以形成一套系统的温控方案。

总结而言,泵站温控防裂最常见的措施就是冷却水管的部署,对冷却水管的温控效果主要受水管间距、水管流量、初始水温等因素的影响。另外主要常见方案包罗设置后浇带、外貌保温措施、分层、分块施工等措施。

本文借助于宁波化子闸泵站施工期温控防裂方案研究,使用三维非稳定温度场和应力场有限元法及法式,对比分析相关措施对其温度场及应力场影响,寻找最佳温控方案。1 仿真盘算方法1.1 非稳定温度场盘算在混凝土盘算域V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为混凝土温度;α为导温系数;θ为绝热温升;t为时间;τ为龄期。1.2 应力场盘算混凝土在庞大应力状态下应变增量包罗弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、自生体积应变增量和干缩应变增量,因此,某时刻的总应变增量可表现为式中,{Δεenne}为弹性应变增量;{Δεcnnc}为徐变应变增量;{ΔεTnnΤ}为温度应变增量;{Δε0nn0}为自生体积变形增量;{Δεsnns}为干缩应变增量。

2 泵站温控参数敏感性分析2.1 有限元模型盘算接纳位于宁波市镇海区与江北区接壤处灵山村的化子闸泵站工程,为姚江分洪3级接力泵站的中间一级泵站,Ⅱ等工程,主要修建物级别为2级,次要修建物为3级,暂时修建物为4级,防洪尺度按50 a一遇设计,200 a一遇校核。计划设计排涝总流量为150 m3/s,设置4台单个流量为37.5 m3/s的竖井贯流泵。

泵站泵房结构段三个偏向主要特征尺寸如下:垂直水流偏向,泵房总宽度为45.2 m,上游进水口流道净宽为9.0 m,中间接纳厚1.0 m的导流墩分开;下游侧出水口流道净宽为8.0 m,中间接纳厚1.1 m的导流墩分开。顺水流偏向,泵房总长度为47.4 m,上游侧进水流道长度为18.90 m(包罗电机井),下游侧出水流道长度为24.0 m。高度偏向,本泵站为单向排涝泵站,上游侧进水流道底面高程为-6.00 m,下游侧出水流的底板面高程为-5.70 m,站身底板厚2.30~3.98 m,厂房事情间顶面高程为3.60 m。有限元模型整体坐标系如下:顺水流偏向为X偏向,指向下游为正,起点位于底板上游界限距离30 m处;竖直偏向为Y偏向,向上为正,接纳高程表述;横河向为Z偏向,指向右岸为正,起点位于右岸边墙30 m处。

凭据上述研究工具建设有限元模型,地基和上部混凝土结构的网格划分模型如图1和图2所示,单元总数为358192个,节点总数为269441个。本次盘算选取的关键点除思量外貌保温措施时坐标为X=33.6 m,Y=-2.2 m,Z=-11.2 m(中蹲中心位置靠近顶面点),思量外貌保温措施时选取的关键点坐标为X=33.6 m,Y=-11.6 m,Z=-10.6 m(中蹲边缘流道壁面),如图3所示。图1 整体网格剖分图2 混凝土结构网格剖分图3 混凝土结构网格剖分温度场盘算时,假定盘算域内地基的底面及四周为绝热界限,泵站结构外外貌均为第三类散热界限条件。

应力盘算时,地基在上部结构自重作用下的附加变形通过在上下游偏向设、左右岸偏向设置牢固约束;泵站竖直偏向地基向下延伸到桩基承载面弱风化基岩面,底部接纳牢固约束。2.2 盘算参数宁波当地多年平均气温16.3 ℃,最热的7月28.0 ℃,最冷的1月4.7 ℃,流域多年平均风速3.8 m/s,最大风速17.0 m/s(相应风向NNE)。为了利便盘算,将年月平均气温拟合为余弦曲线式中,τ为时间变量。

盘算中,混凝土接纳C30混凝土,配好比表1所列。混凝土的导热系数λ、比热c与热膨胀系数α,可以凭据混凝土组成身分的重量百分比,由表1所列组成身分以及各组分的导热系数λi、比热ci及热膨胀系数αi,按加权平均方法盘算获得,地基和混凝土热学参数效果如表2所列。混凝土弹性模型凭据现场试验得出随时间变化的曲线公式表1 泵站混凝土配合比表2 混凝土热学性能参数抗拉强度随时间变化的曲线公式绝热温升θ随时间变化的曲线公式2.3 敏感性分析为了研究差别温控措施对泵站温度、应力场敏感性影响水平,本文从冷却水温度、通水流量、水管间距、混凝土浇筑温度、保温层厚度以及后浇带宽度等因素,使用三维有限元盘算法式,对施工期泵站的温度与应力举行数值模拟。

通过对比分析差别温控措施的敏感性,寻求最佳温控方案。2.3.1 水管间距图4为差别水管间距时关键点温度、应力历程曲线,由图4可以看出,随着水管间距的减小,冷却效果提升,且间距越小效果越显着。

关键点最高温度值由42.5 ℃下降到33.5 ℃,水管间距越小泵站混凝土温度下降越快,由第8天提前到第6天。当水管间距相对较低时,混凝土在温度下降时速率较大,到达2.34 ℃/d,温度下降过快会造成混凝土局部拉应力过大。如图4应力历程曲线图看出, 在水管间距为1.0 m×1.0 m时,由于混凝土温度下降过快,在温度下降前期历程中泛起较大拉应力,在水管间距较小的情况下适当缩减通水冷却时间。

随着水管间距的淘汰,后期拉应力逐渐较小,由0.83 MPa下降到0.62 MPa,且随着间距的淘汰,下降越显着,可以看出水管间距对冷却效果显着。2.3.2 水管通水流量图5差别通水流量时关键点温度、应力历程曲线,由图5可知,随着通水流量的加大,最高温度图4 差别水管间距时关键点温度、应力历程曲线图5 差别通水流量时关键点温度、应力历程曲线从37.9 ℃下降到35.9 ℃,冷却效果提升。

通水流量从1 m3/h到2 m3/h的历程中温度下降较快,可是通水流量从2 m3/h到3 m3/h的历程冷却效果下降,到达3 m3/h时冷却效果不显着。由图5可知,增大流量可以减小后期拉应力,但随着流量增大效果下降。2.3.3 水管通水水温图6为差别水管水温时关键点温度、应力历程曲线,由图6可知,通水水温对混凝土冷却效果出现一个近似线性变化,温度越低,冷却效果越显着,后期拉应力也出现匀称的变化趋势。

混凝土通水水温一般比混凝土浇筑温度低0~5 ℃规模,对于高温浇筑情况,可以适当降低通水水温,但要制止造成冷却水温和周边混凝土温差过大发生较大拉应力。2.3.4 混凝土浇筑温度图7为差别水管间距时关键点温度、应力历程曲线,由图7可知,混凝土浇筑温度从7 ℃上升到15 ℃时,混凝土最高温度从从33.1 ℃上升到40.0 ℃,可见随着浇筑温度的提升混凝土最高温度不停的增大;混凝土浇筑温度对温度应力影响较大,从0.47 MPa上升到0.93 MPa,主要是由于浇筑温度和实际仿真盘算中选取的水温以及外界温度相差较大造成拉应力,所以在工程施工中,混凝土浇筑不宜不行过高,在高温季节浇筑要举行骨料预冷。

2.3.5 保温层厚度图8为差别水管间距时关键点温度、应力历程曲线,由图8可知,泵站外貌温度受保温笼罩影响较大,从不思量保温措施到思量2 cm厚的黑心棉毡膜时,最高温度从23.8 ℃下降到12.0摄氏度。在不思量外貌保温措施时,外貌温度在浇筑前期升温1 ℃就下降,后期险些随着气温的变化而变化,思量2 cm厚的黑心棉毡膜保温措施下外貌温度升9 ℃后开始下降;不思量外貌保温措施时温度应力最大值到达1.60 MPa,存在外貌开裂的风险。思量2 cm厚的黑心棉毡膜时,温度应力下降了1.00 MPa。

外貌保温厚度的增加使早期防裂效果显着,在工程施工中要做好外貌保温措施。2.3.6 后浇带宽度图9为差别水管间距时关键点温度、应力历程曲线,由图9可知,是否思量后浇带对温度场险些没有影响,可是对于温度应力有较大的影响,温度应力从不思量后浇带到思量后浇带下降了0.35 MPa,可是后浇带宽度从0.8 m增大到1.0 m时后期应力险些没变化。

对于大面积的泵站混凝土浇筑,可以接纳后浇带措施淘汰温度应力,后浇带的宽度可以根据设计确定。图6 差别水管水温时关键点温度、应力历程曲线图7 差别水管间距时关键点温度、应力历程曲线图8 差别水管间距时关键点温度、应力历程曲线 图9 差别水管间距时关键点温度、应力历程曲线3 仿真盘算分析综合上文温控敏感参数的敏感性分析,联合化子闸泵站结构特点及实际施工情况,本工程主要接纳的温控措施如下:水管间距接纳1.5 m×1.5 m,通水时间为9 d,通水水温为8 ℃,混凝土浇筑温度为11 ℃,气温及其他资料见3.3节。

限于篇幅,本文展示了中蹲中心z=-11.6 m截面3 d和40 d的温度及应力漫衍云图,如图10和图11所示。从温度云图可以看出,由于泵站中蹲在靠近基坑区域老实凌驾3 m,混凝土水化热发生大量热量,在该区域3 d时温度到达43 ℃,随着墩墙流道壁及外貌与大气接触的散热,40 d最高温度温度为30 ℃,高温区域集中在墩墙靠近基坑部位,由于墩墙是在底板浇筑完成40 d开始浇筑,在墩墙与底板接触处形成较为显着的温度梯度,底板下部受墩墙浇筑温度倒灌不显着。

从应力漫衍云图可以看出,泵站外貌从初期的拉应力转化成后期的压应力,内部结构由初期的压应力酿成后期的拉应力。在混凝土浇筑早期,由于混凝土外貌与外界气温形成较大温差,内部混凝土膨胀大于外部混凝土,混凝土外貌相对收缩,且受到内部混凝土约束,故混凝土外貌发生0.6 MPa左右的拉应力,主要位于泵站混凝土顶面以及基坑区域外貌。后期泵站混凝土外貌最大拉应力在0.2 MPa左右,内部最大拉应力在1.0 MPa左右,属于抗拉强度规模以内。由于墩墙内部混凝土在后期降温历程中会发生收缩,此时距离底板浇筑完毕时间40 d,底板混凝土基本发育完全而新浇混凝土弹性模量较小,收缩变形纷歧致,墩墙靠近底板上部的混凝土会发生约束,在新老混凝土接触区域发生0.6 MPa左右拉应力,施工历程中要注意新老混凝土接触面的处置惩罚。

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图10 差别浇筑时间截面温度漫衍(单元:℃)图11 差别浇筑时间截面温度-应力漫衍(单元:MPa) 综上所述,凭据泵站混凝土结构受相关温控参数影响的敏感性敏感性巨细,在思量后浇带措施、适当外貌保温和合理内部降温措施下,外貌和内部应力漫衍在合理的规模内,可以有效防止早期和后期裂痕的发生。4 结 论(1)水管间距对于混凝土冷却效果较为显着,且随着水管间距的减小,影响趋势呈非线性增长。在水管间距较小的情况下由于温度下降过快会造成较大拉应力,所以在水管间距较小的情况下适当淘汰通水时间。

(2)通水流量的改变对泵站温控效果相较于水管间距较小,随着通水流量的增大,通水冷却效果不显着,温度应力下降也较小。在实际工程施工中可以凭据现场情况微调通水流量,但不建议过大。(3)水管通水水温、混凝土浇筑温度对温控效果出现线性影响。

随着通水水温、浇筑温度的提高,温度应力也相应增加。在实际工程施工中严格凭据实际情况严格控制好通水水温和浇筑温度,以确保混凝土结构宁静可靠。(4)在大要积泵站混凝土浇筑时建议设置后浇带,能有效释放泵站结构温度应力。

同时要做好混凝土外貌保温措施,保温措施能有效降低外貌开裂风险。水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊(月刊),为全国中文焦点期刊,面向海内外公然刊行。

本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护,以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主,同时也报道外洋的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。


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