1、2023 年第 3 期2023 Number 3水电与新能源HYDOPOWE AND NEW ENEGY第 37 卷Vol37DOI:10 13622/j cnki cn42 1800/tv 1671 3354 2023 03 007收稿日期:2022 06 20作者简介:张晶晶，女，工程师，主要从事水利水电工程研究工作。不同高度闸墩一次浇筑成型的温度应力研究张晶晶(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)摘要:为缩短大型水闸枢纽工程的施工周期，降低施工成本，采用一次浇筑成型方式进行混凝土浇筑，以六安市城南水利枢纽工程为例，使用有限元计算软件 ANSYS 和二次开发软件，建立了不同高度
2、的闸墩模型，分别计算分析了不同高度闸墩常规浇筑与一次浇筑成型的稳定温度场，温控标准和温度应力分布。结果表明 10 m 高闸墩的温度应力最小，在采取预埋冷却水管的温控措施后，其温度应力可降至允许应力以下。该结论可供类似工程参考。关键词:一次浇筑成型;闸墩高度;温控标准;温度应力中图分类号:TV698文献标志码:A文章编号:1671 3354(2023)03 0026 06On the Temperature Stress of One-time Pouring Gate Piers with Different HeightsZHANG Jingjing(Shanghai Investigati
3、on，Design esearch Institute Co，Ltd，Shanghai 200434，China)Abstract:One-time pouring construction of concrete is usually adopted to shorten the construction period and reduce theconstruction cost of large sluice gate projects Taking the Chengnan Water Conservancy Project in Lu an city as an ex-ample，n
4、umerical models of gate piers with different heights are constructed using the finite element software ANSYS andthe secondary development function The stable temperature field，temperature control standard and temperature stressdistribution of the piers constructed with conventional pouring method an
5、d one-time pouring method are calculated andanalyzed The results show that the temperature stress of the gate pier with 10 m height is the smallest The temperaturestress can be reduced to below the allowable value if temperature control measure of embedded cooling pipes are adopt-ed The results can
6、provide useful reference for similar projectsKey words:one-time pouring;gate pier height;temperature control standard;temperature stress当混凝土结构断面尺寸大于 1 m 时，就称为大体积混凝土1。由于大体积混凝土结构的断面尺寸大，水化过程产生大量水化热且无法散去，混凝土内部温度迅速升高且数值较大，容易产生温度裂缝。温度裂缝破坏混凝土内部结构，对工程及其不利，如何减少大体积混凝土温度应力是待解决的问题。受温度应力、模板制作水平、施工浇筑能力等因素影响，当前很多学
7、者通过采取不同的浇筑方式如分层浇筑和跳仓浇筑来减少混凝土的温度应力。分层浇筑包括全面分层、斜面分层和分段分层三种方式2 3，每一层浇筑的厚度有一定的限制，且层与层之间浇筑的间歇期较长。跳仓浇筑是一种将大体积混凝土构件分成若干段或块，采用间隔施工的方法4 5，跳仓法需要先将混凝土结构划分成多个仓块，同时相邻的混凝土仓块之间需要间隔 5 7 d。分层浇筑与跳仓浇筑均属于常规浇筑，施工工艺繁琐复杂，施工周期相较于一次浇筑成型方案长，从而造成施工成本的增加。在水工闸室结构混凝土施工过程中，可采用一次浇筑、分层浇筑及跳仓浇筑等浇筑方式。当前对于一次浇筑成型的最高温度研究较少，许杏陶6 根据经验提出闸墩一
8、次浇筑的高度一般在 8m 左右。在不系统考虑温控措施的情况下，闸墩一次浇筑的最大高度研究缺乏数据理论。本文以六安市城南水利枢纽工程为依托，采用 ANSYS 热分析模块7 对一次浇筑到顶的不同高度闸墩进行数值模拟和温度应力计算8，得到闸墩一次浇筑成型的最大高度。这为之后类似工程提供62张晶晶:不同高度闸墩一次浇筑成型的温度应力研究2023 年 3 月经验，同时能缩短施工周期，节省投资。六安市城南水利枢纽工程节制闸单孔净宽 15 m，两孔一联，共 18 联。底板顺水流方向长 34 m，宽35 1 m，厚 2 4 m，中墩厚 2 2 m，边墩厚 1 45 m。工程于 2020 年 12 月施工，计划
9、于 2021 年 5 月之前全部浇筑完成。为保证施工进度，各闸墩均采用一次浇筑到顶。本次研究者取单联进行研究。1计算模型及基本资料11计算模型选用单联闸室为计算模型，为了研究不同闸墩高度一次浇筑成型的温度应力影响，分别建立了闸墩高度为 5、10 m 和15 m 的模型。模型采用六面体八节点单元剖分网格，模型选取地基深度为 1 5 倍坝高，坝踵上游和坝址下游各取坝体最大宽度的 1 倍，有限元模型如图1 所示。图1 中左右岸方向为 X 向，向右为正;顺河流方向为 Y 向，向下游为正;高程方向为 Z 向，向上为正，模型坐标原点如图 1 所示。12材料信息混凝土与基岩的热力学参数见表 1。参考相关规范
10、及工程实例，混凝土的绝热温升采用双曲线拟合，弹性模量采用复合指数拟合，混凝土徐变采用 8 参数公式计算。C(t，)=(6 92+63 660 45)(1 e(0 3(t )+(15 64+26 590 45)(1 e(0 005(t )(1)式中:为混凝土龄期，d;t 为计算天数，d;E0为混凝土弹性模量，GPa。图 1有限元计算模型表 1混凝土、基岩的热力学参数种类混凝土基岩容重/(kNm3)泊松比导热系数/(kJ(md)1)比热/(kJ(kg)1)导温系数/(m2d1)线膨胀系数/106弹性模量/GPa常态混凝土C28252 3200 167254 40 960 071028砂砾石基岩2
11、0000 2252 120 960 0780 0513边界条件确定本次计算取全年平均水温 18 2。水库正常蓄水位为 39 00 m 高程，下游水位 36 00 m 高程。本次研究假定河床地段深处的地温为 15 7。工程区域各月气温资料见表 2。运行期底板上方有水流通过，可以认为底板不存在气温边界。根据提供的气温资料，太阳辐射取为 2。表 2节制闸址区各月气温统计表月份123456789101112平均温度/2 6459116 021 224 827 827 222 417 010 64 9注:六安市基本气候情况(据 1971 2000 年资料统计)。72水 电 与 新 能 源2023 年第
12、3 期14浇筑信息图 1 四种模型分别对应四种计算工况:A 1(10 m 常规方案分层浇筑成型);A 2(10 m 一次浇筑成型);A 3(5 m 一次浇筑成型);A 4(15 m 一次浇筑成型)。其中工况 A 1 浇筑计划见表 3，A 2 A 3 浇筑方案见表 4。表 3工况 A 1 浇筑进度计划开浇日期收仓日期浇筑层厚/m备注2020 12 162020 12 1624底板通仓整浇2020 12 312021 12 3120中墩第一仓浇筑完成2021 01 062021 01 063中墩第二仓浇筑完成2021 01 132021 01 133中墩第三仓浇筑完成2021 01 202021
13、01 2028中墩第四仓浇筑完成2021 01 032021 01 032左边墩第一仓浇筑完成2021 01 102021 01 103左边墩第二仓浇筑完成2021 01 172021 01 173左边墩第三仓浇筑完成2021 01 242021 01 2428左边墩第四仓浇筑完成2021 01 062021 01 062右边墩第一仓浇筑完成2021 01 132021 01 133右边墩第二仓浇筑完成2021 01 202021 01 203右边墩第三仓浇筑完成2021 01 272021 01 2728右边墩第四仓浇筑完成表 4工况 A 2 A 4 浇筑成型进度计划开浇日期收仓日期浇筑层厚
14、/m备注2020 12 162020 12 1624底板通仓整浇2020 12 312020 12 315/10/15闸墩中墩一次性浇筑完成2021 01 032021 01 035/10/15闸墩左边墩一次性浇筑完成2021 01 062021 01 065/10/15闸墩右边墩一次性浇筑完成2仿真计算结果与分析本文运用 ANSYS 建模，输入基本单元信息、材料参数、浇筑计划后，采用二次开发程序9 13 进行后处理，得到闸墩混凝土的温度场、应力场，然后对得到的数据结果进行分析得到温度应力分布结果。21稳定温度场各计算工况下闸室结构的稳定温度场分布相差不大。其中最低温度约 18，最高温度约 1
15、9。22容许温度应力根据混凝土重力坝设计规范(NB/T35026 2014)，施工期混凝土基础浇筑块温度应力可按混凝土极限拉伸值控制。设计采用的混凝土为 C2825，计算得到闸墩混凝土容许温度应力为 1 57 MPa。23容许最高温度容许最高温度近似等于稳定温度场与容许温差之和14 15。六安闸室底板混凝土浇筑块最大块长为35 1 m。由 1 1 节可知，不同高度闸墩模型得稳定温度场结果接近，选取10 m 高闸墩为典型模型进行容许最高温度计算。不同约束区域容许最高温度如表 5所示。表 510 m 高闸墩温控标准稳定温度场浇筑块边长长度/m0 1515 3030 40容许温差容许最高温度强约束区
16、18 218 218 232 57弱约束区18 218 218 214 3732 57自由区18 4518 4518 4532 82从表 5 可知，10 m 高闸墩在强约束区和弱约束区的容许最高温度为 32 57，自由区的容许最高温度为 32 82。因此闸墩混凝土设计允许最高温度为33。24闸室混凝土施工期温度应力成果分析2 4 1各工况最高温度及最大应力分布闸室各工况最高温度布见图 2。通过对比工况A 1(常规浇筑)与工况 A 2(10 m 一次浇筑层厚)，最大温度均出现在闸墩上，A 1 的最高温度为29 8;A 2 最高温度 30 2，均小于容许最高温度33。由于常规浇筑方案混凝土浇筑层厚小，层间间歇多，加速了浇筑层面的散热，因此，常规浇筑工况下的最高温度小于一次浇筑成型。对比工况 A 2 A 4 可知，3 种工况下，最高温度基本相当。闸室各工况最大温度应力分布见图 3。计算四种工况得到的最大应力均出现在闸室底板上，这是由于闸室底板通仓浇筑且较厚，底板混凝土浇筑水化热无82张晶晶:不同高度闸墩一次浇筑成型的温度应力研究2023 年 3 月图 210 m 高闸墩常规浇筑最大度云图(A
