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贯流式机组厂房流道混凝土温控防裂研究

2020-01-11 01:07:12 工业技术创新 2020年6期

丁兵勇 田建海 郭德昌

摘? ?要: 沙坪二级水电站厂房为贯流式机组厂房,结构形状复杂,施工程序繁多,对混凝土防裂不利。基于非稳定温度场及应力场的有限元计算方法,提出流道混凝土温控防裂措施。构建计算模型,设计计算工况:一是将混凝土浇筑温度控制在20℃以内;二是混凝土浇筑完成或进入施工期第一个冬季时,对表面采取保温措施;三是混凝土浇筑完成后马上通水冷却。措施应用后,流道中墩、进水口底板等拉应力较大部位的温升、温降幅度显著降低,拉应力显著减小,满足了混凝土的抗裂安全要求。

关键词: 贯流式机组厂房;流道混凝土;有限元;温度;拉应力;温控防裂

中图分类号:TV544+.91? ? 文献标识码:A? ? 文章编号:2095-8412 (2020) 06-117-04

工业技术创新 URL: http://gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.021

引言

沙坪二级水电站厂房为贯流式机组厂房,结构尺寸巨大,主体混凝土约53万立方米,其中流道混凝土约40万立方米,结构形状复杂、施工工序繁多,混凝土施工质量保证难度大,对混凝土温控防裂不利,有必要开展相应的温控防裂研究。

本文采用非稳定温度场及应力场的有限元计算方法[1],对沙坪二级水电站厂房流道混凝土的施工全过程进行仿真计算分析,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,以期为同类型厂房的温控防裂设计和施工提供有益参考。

1? 计算模型和参数

1.1? 计算模型

沙坪二级水电站厂房标准机组段为流道混凝土结构,上下游方向长81.9 m,宽39.4 m,高50 m。地基范围在上下游和深度方向各延伸一倍结构高度。依据施工进度计划安排,共分17个浇筑层,每层内含1~6个浇筑块。浇筑层层间间隔14 d,层内相邻浇筑块间隔7 d。有限元计算混凝土模型如图1所示。

1.2? 主要计算参数

材料(基岩和混凝土)的热学和力学计算参数[2-6]分别如表1和表2所示。

混凝土弹模计算公式为:

其中,为加载龄期(单位:d)。

混凝土徐变计算公式为:

其中,t为时间(单位:d)。

1.3? 边界条件

温度场计算时,地基底面及四周侧面取为绝热边界,结构上下游面及临空面取为固体散热边界。

应力场计算时,地基底面及四周侧面取为法向约束,其它临空面取为自由边界。

2? 计算工况设计

2.1? 工况1

6月1日首仓混凝土浇筑,控制浇筑温度不低于5℃,不高于28℃。

2.2? 工况2

6月1日首仓混凝土浇筑,控制浇筑温度不高于20℃。

表面保温措施:混凝土浇筑完成后,马上对仓面及模板外侧覆盖泡沫塑料板保温,至龄期14 d时拆除。在进入施工期的第一个冬季,对所有裸露表面覆盖泡沫塑料板保温,至冬季结束时拆除。

内部冷却措施:浇筑完成后马上通水冷却,水管间距1.5 m×1.5 m,采用天然河水,流量1.5 m3/h,通水时间10 d,24 h换向一次。

3? 计算结果与讨论

3.1? 工况1

工况1中流道各结构部位计算结果统计如表3所示,其中关键数据用粗体标出,并以图2所示的y=-10.5 m剖面温度、应力包络图作为参照。主要认识有:

(1)流道中墩处混凝土早期内外温差最大,达到18℃以上。对早期混凝土来说,由于内外温差的作用,混凝土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,体积处于相对膨胀的状态。因而,在表面受张拉的区域就有拉应力的出现,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达到甚至超过混凝土的即时允许应力,导致混凝土早期表面裂缝的产生。

(2)结构多处混凝土早期表面拉应力都超出其允许应力,有必要采取早期表面保温、内部导热降温及降低入仓温度等措施,以降低早期混凝土过大的内外温差,从而降低混凝土产生早期表面裂缝的可能性。

(3)夏季浇筑的进水口底板混凝土内部最高温度达到36℃以上。对后期混凝土来说,受外界气温逐渐下降的影响, 底板混凝土结构相对于下部地基处于温降收缩变形状态,在冬季冰冷时刻,混凝土内外拉应力达到最大,且当后期温降幅度足够大时,混凝土内外拉应力就可能超过混凝土的即时允许应力,造成混凝土的开裂。

(4)在遭遇冰冷冬季时,夏季浇筑的进水口底板混凝土处,后期混凝土表面拉应力已超出允许应力。有必要在冬季采取表面保温及控制早期混凝土内部温升等措施,以降低后期温降幅度,从而降低混凝土后期产生裂缝的可能性。

3.2? 工况2

工况2中流道各结构部位计算结果统计如表4所示,并以图3所示的y=-10.5 m剖面温度、应力包络图作为参照。主要认识:

与工况1相比,采取降低浇筑温度和“外保内降相结合”的温控措施后,一方面,混凝土早期內外温差大大减小,相应的混凝土内外相对变形减小,早期混凝土的表面拉应力状态也随之得到改善,如流道中墩处,早期内外温差由工况1中的18.44℃减小到9.31℃,早期表面拉应力由2.19 MPa减小到1.00 MPa,已满足混凝土的抗裂安全要求;另一方面,混凝土的内部温升幅度降低,相应后期温降幅度明显减小,从而使得由于后期温降所产生的混凝土拉应力也明显减小,如进水口底板处,温度峰值由工况1中的36.39℃减小到30.62℃,其后期拉应力由2.22 MPa减小到1.55 MPa,也满足混凝土的抗裂安全要求。

4? 结论

(1)混凝土开裂可能性较大的时刻,一是在新浇混凝土块龄期较短时,二是在经历冬季外界气温较低时。

(2)贯流式机组厂房流道混凝土拉应力较大部位:一是位于强约束区的进水口底板,二是位于混凝土厚度较大、散热条件差的流道中墩部位。

(3)采取降低浇筑温度和“外保内降相结合”相结合的温控措施,能显著减小早期混凝土的温升幅度和内外温差以及后期的温降幅度,对混凝土的温控防裂有多重作用,十分有效。

参考文献

[1] 朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 北京: 中国电力出版社, 1999.

[2] 《三峡水利枢纽混凝土工程温度控制研究》编委会. 三峡水利枢纽混凝土工程温度控制研究[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2001.

[3] 张杨, 郭晓娜. 水电站厂房下部结构混凝土温控防裂分析[J]. 南水北调与水利科技, 2009, 7(3): 101-103, 113.

[4] 颉志强, 强晟, 陈守开, 等. 大型水电站厂房施工期混凝土开裂机理和防裂方法研究[J]. 三峡大学学报(自然科学版), 2010, 32(4): 29-33.

[5] 彭景文. 三峡电站厂房尾水管温度应力仿真计算分析[J]. 长江科学院院报, 1995,12(4): 26-31.

[6] 常晓林, 程井, 周伟. 软基上厂房大体积混凝土施工期温度应力仿真[J]. 武汉大学学报(工学版), 2007, 40(2): 21-25.

编辑概况:

丁兵勇,通信编辑,男,汉族,安徽肥东人,硕士,高级工程师。研究方向:水工结构设计。

E-mail: ding_by@ecidi.com

(收稿日期:2020-09-14)

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