普溪河渡槽实心槽墩温度场有限元分析与研究

普溪河渡槽实心槽墩温度场有限元分析与研究

杨超

(宜昌市水利水电勘察设计院有限公司，湖北 宜昌，443000)

摘 要：普溪河渡槽为大跨度、大高度渡槽，槽墩实心墩为大体积混凝土结构，基于有限元软件对该实心墩建立大体积混凝土水化热数字分析模型。对无冷却水管和有冷却水管的混凝土浇筑进行温度、应力场分析计算，并将计算结果指导于现场施工。可有效避免混凝土裂缝的产生，保证了施工质量。

关键词：渡槽；实心墩；水化热；管冷

1 工程概况

普溪河渡槽位于宜昌市夷陵区分乡镇普溪河村，是东风渠灌区总干渠上重要咽喉建筑物，承担向官庄水库输水的重任，担负着宜昌市城区百万人的生活供水任务。

老渡槽经多年运行，现渡槽槽身、排架等存在非常严重的问题，湖北省水利厅鉴定该渡槽老化损毁严重，存在较大的安全隐患。湖北省发改委批复对普溪河渡槽进行重建拆除，列入东风渠灌区续建配套与节水改造工程2014年度、2015年度项目。

重建普溪河渡槽位于原轴线以上20m处，在平面布置上呈“L”型，桩号建11+830.00-建12+833.42，渡槽总长1003.42m，其中进口明渠段58.11m，进口渐变段15m，2跨15m槽身，预应力渡槽段长800.0m（单跨40m预应力共20跨），出口连接段长15.0m，出口转弯段长70.31m，出口渐变段长15.0m。渡槽进口底板高程220.100m，出口底板高程218.574m，纵坡1/600。

渡槽设计流量15.0m3/s，加大流量18.0m3/s。槽身断面为矩形，大跨度槽身为单跨40m，断面4.3m×3.45m，净宽3.1m，净高2.6m，侧墙、底板厚300mm。槽身结构为C50W4F100钢筋混凝土整体浇筑。

渡槽槽墩24个，其中单支排架1个，双支排架9个，实心墩4个，空心墩10个，根据具体高度同时考虑施工方便，对于进口边墩1#~3#墩、23#墩~24#出口边墩排架高度小于15m，采用单肢排架，15m一跨满堂脚手架现浇普通槽身，墩帽采用矩形截面，宽6.0m，高1.0m，长度为1.5m，单肢排架为两根直径1.2m圆柱，基础采用扩大基础，宽7.5m，长3.0m，持力层为弱风化层。对4#墩~22#墩槽墩高度小于35m的采用双肢排架，墩帽采用矩形截面，宽6.6m，高2.0m，长度为5.0m，双肢排架为四根直径1.2m圆柱；35m以上采用空心墩，空心墩最大高度控制为45m，高度大于45m的采用空心墩与实心墩相结合的结构形式，墩帽采用矩形截面，宽6.6m，高2.0m，长度为3.6m。3#墩~23#墩为40m预应力现浇混凝土槽身。排架柱、基础、实心墩及墩帽采用C30混凝土，空心墩采用C40混凝土。

2 实心墩浇筑

    实心墩采用C30混凝土浇筑，布置在河床段，共7个，为13#-19#槽墩基础，截面尺寸长为11.5米，宽为5米，高为3.2-7.5米不等。实心墩下为C30混凝土承台，截面尺寸长为14.5米，宽为9米，高为3.0米。

    实心墩混凝土浇筑按照大体积混凝土施工工艺进行，采取循环冷却水管和保温蓄热养护等一系列技术措施，冷却水管在浇注混凝土时即开始浇注冷水，连续通水14天。控制混凝土内部因水化热引起的绝热温升，防止内外温差过大产生的有害裂纹，确保大体积混凝土质量。

3 有限元模型建立

    本次以17#实心墩为研究对象，考虑到承台的混凝土热源、冷却水管及养护等关于中心线基本是对称的，故取实心墩及承台的1/4模型为计算模型。

    采用Midas/Civil有限元软件建模，根据实际施工情况，模拟实心墩分两次浇筑，每次浇筑3m，整个模型有4590个单元，结点总数为2056个。

4 无冷却水管的实心墩混凝土温度场和温度应力仿真计算

4.1材料与环境热力学特征值

表4-1  材料与环境热力学特征值

4.2温度场计算

    该实心墩所用水泥为P.O.42.5R普通硅酸盐水泥，按照施工方案实心墩分2次浇筑，其分期施工水化热达到最高温度的温度场图如下。

    图4-1  一期实心墩120h温度场

图4-2  二期实心墩240h温度场

    由计算结果可知，在浇筑后120h一期实心墩结构中心温度达到最大值61.3℃，在浇筑后240h二期实心墩结构中心温度达到最大值63.8℃，此时的表面温度为21.9℃，温差达41.9℃。超出了《大体积混凝土工程施工规范》（GB50496-2012）的要求。

图4-3  一期实心墩表面、内部点温度随时间变化图

图4-4  二期实心墩表面、内部点温度随时间变化图

4.3温度应力计算

图4-5  一期实心墩120h温度应力场

图4-6  二期实心墩240h温度应力场

图4-7  一期实心墩表面、内部点温度应力随时间变化图

图4-8  二期实心墩表面、内部点温度应力随时间变化图

    由上图可知，实心墩在浇筑完成后50h左右结构表面拉应力将大于容许拉应力，由此可能会使实心墩产生表面裂缝。在浇筑完成后170h左右中心点拉应力将大于容许拉应力，由此可能会使实心墩内部产生贯穿裂缝。

    产生裂缝的主要原因一是水化热温升较高，二是混凝土内外温差过大，如不采取防裂措施，实心墩将可能出现裂缝。

5 埋设冷却水管的实心墩混凝土温度场和温度应力仿真计算

    为了减少实心墩裂缝，提高结构承载力和耐久性，实心墩采用埋设冷却水管的方法降低混凝土内外温差。仿真计算的各项参数同上，冷却水管采用管径50mm的钢管，长宽高间距1m布设，冷却水温为5℃，流量为1.2m3/h。

6 现场温度监控

    现场采用河水冷却降温循环并采用温度计对实心墩进水口、出水口、实心墩表面进行温度跟踪测量，测量结果与软件计算结果相近，并内外温差小于25℃规范要求。承台经7d有水养护后，没有出现任何裂缝。

7 结语

  1、通过实例证明，槽墩实心墩大体积混凝土施工采用有限元分析能够正确动态模拟混凝土正常水化热和采取降温措施后水化热的发展状态。

    2、运用通用有限元软件进行大体积混凝土水化热分析，与传统公式手算方法比较，其分析计算精度高，结果显示详细、直观。

    3、能够根据有限元计算成果，合理选择冷却水管管径、长度、间距，合理布置冷却水管，有效的指导施工。

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