水電站廠房大體積混凝土溫度應(yīng)力分析與防裂措施

1、水電站廠房大體積混凝土溫度應(yīng)力分析與防裂措施摘要：針對(duì)廠房混凝土構(gòu)造施工期易開(kāi)裂的問(wèn)題，采用三維非穩(wěn)定溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的有限元計(jì)算方法，對(duì)某水電站廠房下部大體積混凝土構(gòu)造的施工全過(guò)程進(jìn)展數(shù)值模擬，提醒其溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的開(kāi)展過(guò)程和分布規(guī)律，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出實(shí)在可行的溫控防裂措施。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在低溫入倉(cāng)的根底上，采取外表保溫和內(nèi)部導(dǎo)熱降溫相結(jié)合的溫控防裂措施，可有效降低混凝土早期的內(nèi)外溫差和后期的溫降幅度，從而進(jìn)步廠房混凝土的抗裂平安性。關(guān)鍵詞：水電站廠房;大體積混凝土;有限元;溫度應(yīng)力;溫控防裂中圖分類號(hào)：TU755文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：Analysisofthermalstressesand

2、crackcontrolmeasuresinmassconcreteofhydropowerstationpowerhouse1.HuadongEngineeringCorporation，Hangzhou310014，China;3.SchoolofWaterResources，NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450045，ChinaAbstract：Theconcretestructureofhydropowerstationpowerhousecaneasilycrackduringthecons

3、tructionperiod.Inthispaper，three-dimensionalfiniteelementmethodwithunsteadytemperatureandstressfieldwasusedtosimulatethewholeconstructionprocessoftheunderpartconcretestructureofahydropowerstationpowerhouse.Thedevelopmentprocessanddistributionregularityofthetemperaturefieldandstressfieldwereobtained，

4、andthefeasibletemperaturecontrolandcrackpreventionmethodswereproposedaccordingtothecomputationresults.Theanalysisshowedthatonthebasisoflowtemperaturebeforeconcretepouring，temperaturecontrolandcrackpreventionmeasureswithsurfaceheatpreservationandinternalheatconductioncaneffectivelydecreasethetemperat

5、uredifferencebetweentheinternalandexternalearly-ageconcrete，andalsodecreasethetemperatureamplitudeoflater-ageconcrete，whichcanimprovethesafetyagainstcrackingofthepowerhouseconcrete.Keywords：hydropowerstationpowerhouse;massconcrete;finiteelementmethod;thermalstresses;temperaturecontrolandcrackprevent

6、ion水電站廠房下部是一個(gè)形狀復(fù)雜、體積龐大的大跨度厚壁空腔混凝土構(gòu)造，受其自身和周圍介質(zhì)溫度、濕度變化的影響，以及基巖的約束作用，往往在不同部位產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。如不有效控制混凝土裂縫的產(chǎn)生，將破壞廠房下部構(gòu)造的整體性，縮短其使用壽命，甚至改變其構(gòu)造的受力狀態(tài)，影響建筑物平安。本文采用混凝土非穩(wěn)定溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的有限元計(jì)算方法，根據(jù)混凝土材料熱力學(xué)性能試驗(yàn)的研究成果，對(duì)某水電站廠房下部混凝土構(gòu)造施工期的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)展仿真計(jì)算分析，并基于分析成果提出實(shí)在可行的溫控防裂措施，進(jìn)而有效控制混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生，為水電站廠房下部構(gòu)造混凝土的溫控設(shè)計(jì)和施工提供參考。1計(jì)算

7、原理及方法1.1非穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算原理及方法在混凝土計(jì)算域R內(nèi)任意一點(diǎn)處，非穩(wěn)定溫度場(chǎng)Tx，y，z，需滿足熱傳導(dǎo)方程：T=a2Tx2+2Ty2+2Tz2+1式中：T為溫度;a為導(dǎo)溫系數(shù)m2/h，為絕熱溫升;為時(shí)間h。溫度場(chǎng)有限元計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)1。文獻(xiàn)1中給出了一套近似解法，即把冷卻水管看成負(fù)熱源，在平均意義上考慮水管冷卻效果，可得混凝土等效熱傳導(dǎo)方程：T=a2Tx2+2Ty2+2Tz2+T0-TW+02式中：T0為混凝土初溫;TW為冷卻水溫度;為考慮初始溫差影響的函數(shù);為考慮混凝土絕熱溫升影響的函數(shù)。1.3應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算原理及方法混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變?cè)隽堪◤椥詰?yīng)變?cè)隽俊⑿熳儜?yīng)變?cè)隽?、溫度?yīng)

8、變?cè)隽?、干縮應(yīng)變?cè)隽亢妥陨w積應(yīng)變?cè)隽?，因此?n=en+cn+Tn+Sn+0n3式中：en為彈性應(yīng)變?cè)隽?cn為徐變應(yīng)變?cè)隽?Tn為溫度應(yīng)變?cè)隽?Sn為干縮應(yīng)變?cè)隽?0n為自生體積應(yīng)變?cè)隽俊?yīng)力場(chǎng)有限元計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)1。2計(jì)算模型和參數(shù)2.1計(jì)算模型2.2主要計(jì)算參數(shù)工程區(qū)多年月平均氣溫統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1?；鶐r和混凝土的主要熱力學(xué)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2和表3。2.3邊界條件溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，計(jì)算模型中地基底面及四周側(cè)面取為絕熱邊界，機(jī)組段的上下游面及其它臨空面為固體散熱邊界，根據(jù)多年平均風(fēng)速和覆蓋的保溫材料賦予相應(yīng)的外表放熱系數(shù)。應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí)，地基底面及四周側(cè)面取為法向約束，其它臨空面為自由邊界。3計(jì)算工況4計(jì)

9、算結(jié)果分析4.1工況1計(jì)算結(jié)果分析選取尾水管底板部位混凝土外表點(diǎn)和內(nèi)部點(diǎn)作為特征點(diǎn)，繪制溫度及應(yīng)力歷時(shí)曲線圖2;選取機(jī)組橫剖面作為典型剖面，繪制溫度及應(yīng)力包絡(luò)圖圖3，圖中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，t為允許應(yīng)力曲線，由極限拉伸強(qiáng)度除以平安系數(shù)為1.8獲得。對(duì)于澆筑初期的混凝土，表層混凝土的溫升幅度遠(yuǎn)小于內(nèi)部混凝土，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)外溫差?；炷烈惨虼水a(chǎn)生了相應(yīng)的內(nèi)外變形約束。此時(shí)，外外表混凝土處于相對(duì)收縮變形的狀態(tài)，而內(nèi)部混凝土那么相反，處于相對(duì)體積膨脹的狀態(tài)，因此在外表相對(duì)受張拉的區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，而在構(gòu)造內(nèi)部相對(duì)受擠壓的區(qū)域就產(chǎn)生了壓應(yīng)力。且當(dāng)溫差足夠大時(shí)，混凝土外表的拉應(yīng)力就可以到達(dá)甚至超過(guò)混

10、凝土的即時(shí)允許應(yīng)力。如圖2中尾水管底板混凝土早期最大內(nèi)外溫差到達(dá)12左右時(shí)，外表拉應(yīng)力已超出即時(shí)允許應(yīng)力，極易導(dǎo)致混凝土早期外表裂縫的產(chǎn)生，有必要采取溫控措施以降低早期混凝土過(guò)大的內(nèi)外溫差。混凝土溫度到達(dá)峰值以后就開(kāi)始下降，但外外表降溫幅度遠(yuǎn)小于內(nèi)部的降溫幅度，相對(duì)而言，此時(shí)內(nèi)部混凝土的體積收縮變形大，而構(gòu)造近外表區(qū)處于相對(duì)被壓縮的變形狀態(tài)。在溫度變形作用下，外表拉應(yīng)力和內(nèi)部壓應(yīng)力逐漸減小。如圖2所示，隨著內(nèi)部混凝土溫度的進(jìn)一步降低，混凝土內(nèi)部的應(yīng)力有可能從壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，從而外表混凝土逐漸表現(xiàn)為受壓狀態(tài)。當(dāng)這種變形過(guò)大時(shí)，內(nèi)部拉應(yīng)力甚至?xí)^(guò)混凝土的允許抗拉強(qiáng)度。假設(shè)不考慮由內(nèi)外溫降幅度

11、不同而引起的混凝土自身的應(yīng)力狀態(tài)變化，僅考慮受外界氣溫逐漸下降的影響夏季高溫階段到冬季寒冷時(shí)刻，尾水管底板混凝土構(gòu)造相對(duì)與下部地基來(lái)說(shuō)，處于溫降收縮變形狀態(tài)，受地基約束作用影響，混凝土內(nèi)外都呈現(xiàn)出拉應(yīng)力增長(zhǎng)或壓應(yīng)力減小趨勢(shì)，并在環(huán)境氣溫最低時(shí)到達(dá)極值。由圖3可以看出，在遭遇寒冷冬季時(shí)，夏季澆筑的尾水管底板混凝土，由于后期溫降較大，再加上受地基強(qiáng)約束作用，后期混凝土的內(nèi)外拉應(yīng)力均已超出允許應(yīng)力，此時(shí)極易造成混凝土開(kāi)裂?？梢?jiàn)，有必要采取溫控措施以降低混凝土后期溫降幅度。4.2工況2計(jì)算結(jié)果分析計(jì)算得出工況2的溫度及應(yīng)力歷時(shí)曲線見(jiàn)圖4，溫度及應(yīng)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖5。比照?qǐng)D3和圖5可以看出，夏季澆筑的混凝土

12、內(nèi)部溫度峰值大幅降低，大部分區(qū)域的混凝土拉應(yīng)力狀態(tài)均得到明顯改善，抗裂平安性大大進(jìn)步。5結(jié)論1從應(yīng)力歷時(shí)曲線看，混凝土開(kāi)裂可能性較大的時(shí)刻混凝土所承受的拉應(yīng)力超過(guò)其即時(shí)允許應(yīng)力，一是在新澆混凝土塊齡期較短時(shí)，二是在經(jīng)歷冬季外界氣溫較低時(shí)。3通過(guò)計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)，工況2中所提出的溫控方案，根本滿足本工程中混凝土抗裂平安系數(shù)到達(dá)1.8的要求，構(gòu)造的抗裂平安得到保障。 參考文獻(xiàn)References：1朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制M.北京：中國(guó)電力出版社，1998.ZHUBo-fang.ThermalstressesandtemperaturecontrolofmassconcreteM.Be

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