水电站厂房大体积混凝土温度应力分析与防裂措施.pdf
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1、第 l 3卷第 2期 2 0 1 5年 4月 Vo 1 1 3 No 2 Ap r 2 0 1 5 D OI : 1 0 1 3 4 7 6 j c n k i n s b d q k 2 0 1 5 0 2 0 3 7 水 电站厂房大体积混凝 日 J【 I rm 度应 力分析与 防裂措施 丁兵 勇 , 杨忠 良 , 唐瑜 莲 , 陈守开。 , 安 晓伟。 ( 1 华东勘测设计研究院有限公司, 杭州 3 1 0 0 1 4 ; 2 浙江省水利水电技术咨询中心, 杭州 3 1 0 0 2 0 ; 3 华北水利水电大学 水利学院, 郑州 4 5 0 0 4 5 ) 摘要 : 针对厂房混凝土结构施工
2、期易 开裂 的问题 , 采用三维非稳定 温度场及应力 场的有 限元计 算方法 , 对 某水 电站 厂房下部大体积混凝土结构的施工全过程进行数值模拟, 揭示其温度场及应力场的发展过程和分布规律 并根据计 算结果提出切实可行的温控防裂措施。经分析发现, 在低温入仓的基础上 , 采取表面保温和内部导热降温相结合的 温控防裂措施 , 可有效降低混凝土早期的内外温差和后期的温降幅度 , 从而提高厂房混凝土的抗裂安全性。 关键词 : 水电站厂房; 大体积混凝土; 有限元 ; 温度应力; 温控防裂 中图分类号 : T U7 5 5 文献标 志码 : A 文章编 号 : 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2
3、 0 1 5 ) 0 2 0 3 6 2 0 4 An a l y s i s o f t he r ma l s t r e s s e s a n d c r a c k c o nt r o l m e a s u r e s i n ma s s c o nc r e t e o f h y dr o p o we r s t a t i o n po we r ho u s e DI NG Bi n g - y o n g , YANG Z h o n g - l i a n g , F ANG Yu l i a n 2 , CHEN S h o u k a i 。 。 AN Xi
4、a o we t 。 ( 1 Hu a d o n g En g i n e e r i n g Co r p o r a t i o n, Ha n gz h o u 3 1 0 0 1 4 , C h i n a; 2 Z j t a n g Wa t e r Co n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c p o we r Co n s u l t i n g Ce n t e r, Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 0, C h i n a 3 S c h o o l o f Wa t e r Re s o u r
5、 c e s , No r t h C h i n a U n i v e r s i t y o Wa t e r Re s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o z v e r , Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 5 , C h i n a ) Ab s t r a c t : Th e c o n c r e t e s t r u c t u r e o f h y d r o p o we r s t a t i o n p o we r h o u s e c a n e a s i l y c r a c k d u
6、r i n g t h e c o n s t r u c t i o n p e r i o d I n t h i s p a p e r , t h r e e - d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e me n t me t h o d wi t h u n s t e a d y t e mp e r a t u r e a n d s t r e s s f i e l d wa s u s e d t o s i mu l a t e t h e wh o l e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s
7、 o f t h e u n d e r p a r t c o n c r e t e s t r u c t u r e o f a h y d r o p o we r s t a t i o n p o we r h o u s e Th e d e v e l o p me n t p r o c e s s a n d d i s t r i b u t t o n r e g u l a r i t y o f t h e t e mp e r a t u r e f i e l d a n d s t r e s s f i e l d we r e o b l a i n e
8、 d , a n d t h e f e a s i b l e t e n l p e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n me t h o d s we r e p r o p o s e d a c c o r d i n g t O t h e c o mp u t a t i o n r e s u l t s Th e a n a l y s i s s h o we d t h a t o n t h e b a s i s o f l o w t e mp e r a t u r e b e
9、 f o r e c o n c r e t e p o u r i n g , t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n me a s u r e s wi t h s u r f a c e h e a t p r e s e r v a t i o n a n d i n t e r n a l h e a t c o n d u c t i o n c a n e f f e c t i v e l y d e c r e a s e t h e t e mp e r a t u r e
10、 d i f f e r e n c e b e t we e n t h e i n t e r n a l a n d e x t e r n a l e a r l y a g e c o n c r e t e , a n d a l s o d e c r e a s e 1 h e t e mp e r a t u r e a mp l i t u d e o f l a t e r - a g e c o n c r e t e , wh i c h c a n i mp r o v e t h e s a f e t y a g a i n s t c r a c k i n
11、g o f t h e p o we r h o u s e c o n cr et e Ke y wo r d s : h y d r o p o we r s t a t i o n p o we r h o u s e ; ma s s c o n c r e t e ; f i n i t e e l e me n t me t h o d ; t h e r ma l s t r e s s e s ; t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n 水电站厂房 下部是一个形状复杂、 体积庞
12、大的大跨度厚 壁空腔混凝土结构 , 受其 自身 和周 围介质温 度 、 湿度变 化 的 影响 , 以及基岩 的约束作 用 , 往 往在 不 同部 位产 生较大 的温 度应力 , 进 而导致混凝土产生 裂缝 。如 不有效控制 昆凝土裂 缝的产生, 将破坏厂房下部结构的整体性, 缩短其使用寿命 , 甚至改变其结构的受力状态, 影响建筑物安全。 本文采j j 混凝土非 稳定 温度场及 应力 场 的有限元 计算 方法, 依据混凝土材料热力学性能试验的研究成果, 对某水 电站厂房下部混凝土结 构施 工期 的温度 场及应 力场进 行仿 真计算分析 , 并基 于 分析 成果 提 出切 实可 行 的温控 防
13、裂措 施 , 进而有效 控制混凝土 温度 裂缝 的产生 , 为水 电站 厂房下 部结构混凝土 的温控设计和施工提供参考 。 l 计算原理及方法 1 1 非稳 定温度 场计 算原理 及 方法 在混凝 土 计 算 域 尺 内 任 意 一 点 处 , 非 稳 定 温 度 场 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 7 2 0 修回 E t 期 : 2 0 1 4 - 1 0 0 l 网络出版时间 : 2 0 1 4 0 3 l 9 网络 出版地址 : h t t p : w ww c n k i n e t k c ms d e t a i l 1 3 1 3 3 4 TV 2 0 1 5 0 3 1
14、9 0 9 3 1 0 0 8 h t ml 基金项 目: 国家 自然科 学基金 资助项 目( 5 1 1 0 9 0 8 1 ; 5 1 3 0 9 1 0 1 ) 作者简介 : 丁兵勇( 1 9 8 2) , 男 , 安徽合肥人 , 工程 师, 主要从事水工结构设计研究工作 。Ema i l : d i n g b y e c i d i c o r a 通讯作者 : 陈守开( 1 9 8 0) , 男 , 浙江苍南人 , 副教授 , 博士 主要从事水工混凝 土结构仿真研究 E ma i l : ma n 2 0 0 1 7 7 1 6 3 c o r n 3 6 2 工 程 技 朱 丁兵
15、勇等 水电站厂房大体积混凝土温度应力分析与防裂措施 T( x , , , r ) 需满足热传导方程 : aS 。 一 ( 婺v - + v - + 霎v - ) + ( 1 ) 一 “ 十 a v 2 十 a z 2 J 十 式 中 : T 为温 度 ( C) ; n为 导 温 系 数 ( r n 2 h ) , 臼为 绝 热 温 升 ( C) ; r 为时间( h ) 。温度场有限元计算方法见文献 1 。 1 2 水 管冷 却 问题 的处理 文献 1 中给出了一套近似解法, 即把冷却水管看成负 热源 , 在平均意义上考虑水管冷却效果, 可得混凝土等效热 传 导方程 : 謦+ + 磬 一 T
16、w ) -k O o 式中: 为混凝土初温( ) ; T w为冷却水温度( 。 C) ; 为考 虑初始温差影 响的函数 ( 。 C) ; 为考 虑混凝 土绝 热温 升影 响 的 函数 ( 。 C) 。 1 3 应力场计算原理及方法 混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增 量、 徐变应变增量、 温度应变增量、 干缩应变增量和自生体积 应变增量 , 因此有 ) = = : + E + e 、 ) + ) + e ( 3 ) 式 中 : : ) 为弹性应变增量 ; : ) 为徐变 应变增量 ; 为 温度应变增量; e 为干缩应变增量; e 为 A生体积应 变增量。应力场有限元计算方法见文献I
17、- 1 。 2 计算模型和参数 2 1计算模型 本文选取某水电站厂房标准机组段的下部混凝土结构, 上下游方向长 8 5 4 m, 宽 3 0 IT I , 高 3 3 3 m。有限元计算分析 模型( 图 1 ) 中地基在上下游和深度方向各延伸一倍混凝土结 构高度。模型总共设 1 8个浇筑层, 约束区层厚 1 2 m, 非约 束区层厚 2 3 m, 每层内又划分 2 6个浇筑块。 图 1 有 限元计算模型 Fi g 1 Th e f i n i t e e l e me nt c a l c u l a t i o n mo d e l 2 2 主要计算参数 工程 区多年月平 均气温统计 见表
18、1 。 表 1 多年月平均气温统计 Ta b 1 M o nt h l y a v e r a ge t e mp e r a t ur e 气温 L 拟合如下式: ( ) 一 1 5 6 4 + 7 0 2 X c 。 s 詈( 一 6 4 ) 式中: t 为时间( 月) 。 ( 4 ) 基岩和混凝土的主要热力学计算参数见表 2和表 3 。 表 2 材 料热学计 算参数 Ta b 2 The r ma l p a r a me t e r s o f t h e ma t e r i a l 表 3 材料力学计 算参数 Ta b 3 Me c h a n i c a l p a r a me
19、 t e r s of t h e ma t e r i a l 混凝 土徐变计算式 : C( t , r ) 一C l ( 1 +9 2 0 r ) 1 一e m_ T +C 2 ( 1 + 1 7 0 r ) r 1 一e “ 一 ( 5 ) 式中: f 为时间( d ) ; f为加载龄期( d ) ; 参数 C 一0 2 3 E 0 , C z 一0 5 2 E o ; E o 为 r 一。 。 时的最终弹模。 2 3 边界条件 温度场计算时, 计算模型中地基底面及四周侧面取为绝 热边界, 机组段的上下游面及其它临空面为固体散热边界, 根据多年平均风速和覆盖的保温材料赋予相应 的表面放热
20、 系数。应力场计算时, 地基底面及四周侧面取为法向约束, 其它临空面为自由边界。 3 计算工况 工况 1 : 6月 1日开始第一层混凝土浇筑, 按规范要求控 制浇筑温度不低于 5。C, 不 高于 2 8 0。 C。 工况 2 : 6月 1日开始第一层混凝 土浇筑 , 控 制混凝土 的 浇筑温度不高 于 1 8。混凝 土 表 面保 温措 施 : 3月 一5月 ( 春季) 、 9月一1 O月( 秋季) 浇筑的混凝土, 浇完后立即对新 浇混凝土的仓面及模板外侧覆盖 1 c m厚泡沫塑料板进行保 温 , 到龄期 1 4 d时拆除 ; l 2月 一2月( 冬季 ) 浇筑的混凝土 , 浇 完后立即对新浇?
21、 昆 凝土的仓面及模板外侧覆盖 2 c m厚泡沫 塑料板进行保温, 至冬季结束; 在进入施工期第一个冬季前 ( 1 1月份) , 对所有混凝土裸露表面覆盖 2 c m厚泡沫塑料板 至冬季结束。混凝土内部冷却水管通水措施: 混凝土浇筑完 毕后立即进行通水冷却, 水管间距 1 5 mX1 5 m, 4 月一1 0月 工 g 程 蔽 采 3 6 3 第 1 3卷 总第 7 7期 南水北调 与水利科 技 2 0 1 5年 4月 使用 1 5制冷水, 其它月份采用天然河水, 流量 1 5 m 3 h , 通 水时间 1 0 d , 每 2 4 h换向一次。 4 计算结果分析 4 I 工况 1计算结果分析
22、 选取尾水管底板部位混凝土表面点和内部点作为特征 点, 绘制温度及应力历时曲线( 图 2 ) ; 选取机组横剖面作为典 型剖面, 绘制温度及应力包络图( 图 3 ) , 图中拉应力为正, 压 应力为负, : 为允许应力曲线, 由极限拉伸强度除以安全系 数 ( 为 1 8 ) 获得 。 兰 2 53 0 2 0 赠 5 0 l 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 时间 d 2 0 l 5 l 0 05 O - 0 5 图 2 工况 1 尾水管底板混凝土表面点和 内部点的温度及应力历时曲线 Fi g 2 Te mp e r a t u r e a n d s t r e s s
23、 d u r a t io n c u r v e s f or t h e s u r f a c e a n d i n t e r n a l p o i n t s of t he c o n c r e t e i n t h e d r a f t t u be f l o o r u n d e r wo r k i n g c o n d i t i o n 1 霭 匾Levd蕊1 2 3 4 5 6 匦 藿 图 3 工况 1机组横 剖面温度 ( ) 及应 力( MP a ) 包络图 F i g 3 Cr o s s s e c t i o n a l t e mp e r a
24、 t u r e( )a n d s t r e s s( mP a ) e nv e l o p e d i a g r a ms u n d e r wo r k i n g c o n d i t i o n 1 对于浇筑初期 的混凝土 , 表层混凝 土 的温升 幅度远小于 内部混凝土, 从而产生较大的内外温差。混凝土也因此产生 了相应的内外变形约束。此时, 外表面混凝土处于相对收缩 变形的状态, 而内部混凝土则相反, 处于相对体积膨胀的状 态, 因而在表面相对受张拉的区域出现拉应力, 而在结构内 部相对受挤压 的区域就产生 了压应力 。且 当温差足够 大时 , 混凝土表面的拉应力就能够
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