目  录

1.前言

2.计算的基本资料

2.1 材料特性

2.2 气温资料

2.3 荷载及水位组合

2.4 施工方案

3.施工期混凝土底板仿真计算

3.1 温度场的仿真计算

3.2 应力场的仿真计算

3.3 计算模型和计算成果

4.泵站底板三维有限元整体分析

4.1 计算理论和计算方法

4.2 计算模型和计算成果

5. 结论和建议

1．前  言

太浦河泵站工程位于江苏省太浦河闸南侧，地处太湖之滨，主要解决枯水年份4～10月太湖水位较低时，抽取太湖水补充黄浦江水量，满足上海市的供水要求，改善水质。

太浦河泵站内装6台流量为50m³/s的斜15⁰ 轴伸泵及配套电动机，设计流量300m³/s。泵房为堤身式块基型结构，分三块底板，每块底板上布置2台泵组。每块底板平面尺寸为40.45m*22.5m。泵房底板高程最低处为-11.20m，位于⑤层灰色粉质粘土上，其容许承载力为105kPa，不能满足承载力要求。其下为⑥层粉质粘土，容许承载力为300 kPa，该土层厚约5.2m，是泵房基础较好的持力层。本工程基础采用深层水泥搅拌桩加固，深度为7-8m。泵站底板混凝土厚度2.0m。每台泵站均设中、边墩。顶板混凝土厚约0.8-2.0m。

混凝土结构的开裂是一个普遍的现象。近年来，基础工程、泵站、桥梁、涵洞等混凝土结构的裂缝问题越来越严重。大量的工程研究分析认为，水化热和外界温度变化是产生这些裂缝的主要原因。早期混凝土的温度应力又直接影响施工期和运行期混凝土结构内部应力和裂缝的形成与扩展。特别是对于太浦河泵站工程，由于混凝土底板采用通仓浇筑，加之夏季连续施工，温度应力与开裂问题更为突出。

早期混凝土温度和温度应力的产生与发展是一个复杂的化学反应和物理变化过程，温度越高，化学反应越快，混凝土绝热温升和力学性质的变化也越快。早期混凝土的热学和力学性质的变化，可以用水化热过程来描述。一些试验表明，当温度分别为20℃、30℃、40℃、和50℃时，水化热化学反应的速度之比为1：1.57：2.41：3.59。这些参数不仅是时间的函数，而且随温度场而变化。试验还进一步证实，在不同的浇筑温度下，混凝土具有不同的绝热温升和力学性质。我国幅员辽阔，地区间气温差异大，即使在同一地区，在不同季节施工，气温变化也很大。因此，目前普遍采用的设计方法没有考虑温度对水泥水化热化学反应速度的影响，这既不能反映水泥水化学反应和微结构变化的真实过程，也不能反映混凝土结构的实际工作状态。

太浦河泵站底板平面尺寸大，底板结构布置复杂，为使底板的设计尽可能与实际情况相符合，避免应力集中以及出现流道底板、顶板的裂缝等问题，确保底板的安全，要求计算模型充分考虑不同地基的物理性质、地基与底板之间相互作用应满足整体变形和变形连续的条件，同时考虑边荷载的影响。通过复杂结构的整体分析，掌握泵站1.45m高程以下结构的应力和变形情况，对底板的结构布置及底板厚度进行评价，指导底板的结构布置和底板配筋；通过对复杂的施工情况和各种环境因素进行计算机仿真模拟，确定合理的施工方案，如底板的分层分块和混凝土的入仓温度等，确保泵房底板施工期不出现贯穿性裂缝。

2．基本计算资料

2.1 材料特性

太浦河泵站工程为多种材料组成，由于不同材料的热学和力学性质的差异，使问题的分析趋于复杂。各分区材料的主要热学和力学参数见表1和表2。

表1各分区材料的主要物理性质

表2各分区材料的热学性能指标

^*注：式中；，为水泥用量，为水泥水化热总量，根据试验推算得=377 KJ/kg。

  根据江苏省工程勘测研究院提供的地质资料，泵房底板下的水泥搅拌桩的物理力学指标见表3。

表3 水泥搅拌桩的物理力学指标

混凝土的弹性模量变化和徐变特性参照龙滩碾压混凝土坝常态混凝土面板的有关参数，即

（1）

（10^-6/Mpa） （2）

2.2 气温资料

  太浦河泵站工程所处地区属北亚热带季风区。据吴江气象站资料统计，年平均气温为15.7℃，极端最低气温为-10.6℃，极端最高气温为39.8℃。气温资料见表4 。

表4 气温统计资料（1951-1980）

2.3 荷载及水位组合

在进行高程1.45m以下混凝土结构施工期仿真计算和三维有限元整体分析时，除考虑结构自重外，还需考虑上部结构荷载，包括：（1）柱间距10.50m情况1.45m以上结构所承担的荷载；（2）作用在一期混凝土面上的泵组永久及临时支撑荷载；（3）电机荷载；（4）齿轮箱荷载。安装间平均地基压力为120 kPa，作为边荷载考虑。侧向土压力按静止土压力计算。在计算土压力时，考虑地下水位4.0m。

  六种计算工况的水位组合见表5。根据不同水位组合确定作用在底板上的扬压力。

表5  泵站计算水位组合表

^*允许两台机组同时检修，检修时流道内无水。

表6  1^#、2^#泵组底板混凝土结构施工进度

2.4 施工方案

在基坑边安装了一座生产能力90m³/h的拌和站用于生产混凝土。常态混凝土采用5t自卸汽车，泵送混凝土采用混凝土泵从拌和站直接压送到浇筑部位。太浦河泵站工程底板混凝土浇筑进度见表6、表7和表8。

表7  3^#、4^#泵组底板混凝土结构施工进度

表8 5^#、6^#泵组底板混凝土结构施工进度

3. 施工期混凝土底板仿真分析

在大体积混凝土结构中，温度应力具有重要意义。在混凝土浇筑初期，温度和温度应力随时间急剧变化，而混凝土的水化热、弹性模量、徐变度等基本参数随混凝土龄期改变，因此大体积混凝土结构的温度应力计算是一个非常复杂的问题。随着有限元方法和计算技术的发展，这类问题才可能得到较合理的解决。

3.1 温度场的仿真计算

假定混凝土在浇筑过程中满足能量守恒原理，并且考虑温度对混凝土绝热温升的影响，则求解混凝土结构（区域R）不稳定温度场的热传导方程为

   （3）

（4）

式中，t — 时间；x、y、z —直角坐标；T（x,y,z,t）— 温度场；a — 混凝土导热系数；—基于有效时间的混凝土绝热温升。

温度场还必须满足初始条件和边界条件。

初始条件为

 （5）

式中，t0为入仓时间；T0（x,y,z）为入仓温度。

在一般情况下，有如下三种边界条件：

（1） 在已知温度边界上上，应满足给定边界温度

   (6)

式中，为给定的边界温度。在迎水面上，T1 即等于水温（随水深和时间而变）。

（2） 在绝热边界上，应满足

(7)

式中，n 为绝热温升边界的法线方向。

（3）在表面放热边界上，应满足

（8）

式中，为环境温度；