崔 建 華蘇 海 東
(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所,湖北 武漢 430010; 2.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430010)
三峽升船機(jī)已進(jìn)入通航階段,主要用于為客貨輪和特種船舶提供翻越三峽大壩的快速過壩通道,提高樞紐的通航能力。其設(shè)計(jì)過船規(guī)模為3 000 t級(jí),最大提升高度為113 m,是世界上提升高度最高、提升重量最大的升船機(jī)。相對(duì)常規(guī)塔柱而言,三峽升船機(jī)塔柱由于爬升形式改變,不僅使單個(gè)塔柱在平面內(nèi)的形式變得復(fù)雜,而且沿高程增加的諸多聯(lián)系梁使得結(jié)構(gòu)的形式及其受力分析更加復(fù)雜[1-4]。溫度荷載是升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的主要荷載之一,在運(yùn)行期,齒條和螺母柱要適應(yīng)年氣溫變化作用下的塔柱結(jié)構(gòu)整體變形,正確估計(jì)塔柱結(jié)構(gòu)在溫度作用下的變形和應(yīng)力,對(duì)齒輪齒條爬升式升船機(jī)方案的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。同時(shí),考慮到三峽升船機(jī)塔柱主要由薄壁結(jié)構(gòu)組成,對(duì)外界氣溫變化極為敏感,受氣溫驟降及日照作用,薄壁的內(nèi)外會(huì)形成較大的溫度梯度,從而引起較大的溫度變形及溫度應(yīng)力[5]。此外,混凝土內(nèi)部濕度變化引起混凝土的干縮變形,由于塔柱結(jié)構(gòu)表面積與體積之比要比大體積混凝土大得多,水分的散發(fā)量和散發(fā)速度相對(duì)要大而快,干縮變形對(duì)塔柱結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位(齒條、螺母柱)垂直向變位的影響值得關(guān)注。因此,運(yùn)行期塔柱結(jié)構(gòu)狀態(tài)、氣溫驟降、日照作用以及混凝土干縮對(duì)塔柱結(jié)構(gòu)的影響均需要仔細(xì)研究。
本文采用長(zhǎng)江科學(xué)院自主開發(fā)的模擬大體積混凝土建造及運(yùn)行過程的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力仿真計(jì)算軟件3DCRCPCG,對(duì)塔柱結(jié)構(gòu)的施工澆筑全過程進(jìn)行三維有限元溫度應(yīng)力仿真計(jì)算,研究其在運(yùn)行期的溫度應(yīng)力和變形。在仿真計(jì)算中,考慮了混凝土的熱學(xué)、力學(xué)性能、徐變以及溫度邊界條件等隨時(shí)間的變化。
三峽升船機(jī)塔柱為薄壁承重結(jié)構(gòu),建筑高度148.0 m,最薄壁厚1.0 m。順?biāo)飨蚩傞L(zhǎng)119.0 m、寬57.8 m,建基面高程47.5 m,底板厚度為2.5 m。塔柱兩側(cè)高程84 m處連接地表面,高程84 m以下部分被覆蓋。結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)呈雙重對(duì)稱布置,結(jié)構(gòu)模型示意見圖1(a)。圖1(b)俯視圖中標(biāo)示了水流方向,以水流方向?yàn)闇?zhǔn),面朝下游,向左側(cè)依次為左前塔柱、左后塔柱,右側(cè)依次為右前塔柱、右后塔柱。
進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工過程溫度應(yīng)力計(jì)算及氣溫驟降分析時(shí),考慮到結(jié)構(gòu)以及荷載的對(duì)稱性,以垂直升船機(jī)的右側(cè)前塔柱作為計(jì)算對(duì)象,采用1/4模型,見圖1(c)。節(jié)點(diǎn)數(shù)為414 671,單元數(shù)為328 864。為提高計(jì)算精度,墻體1 m厚范圍劃分4層網(wǎng)格。
進(jìn)行日照分析時(shí),考慮到斜日照荷載的不對(duì)稱性,采用整體模型進(jìn)行計(jì)算,見圖1(d),為模擬日照影響,網(wǎng)格劃分較密,表層30 cm范圍網(wǎng)格大小為10 cm。模型共劃分單元數(shù)487 116,節(jié)點(diǎn)數(shù)595 305。
基礎(chǔ)模擬范圍在上、下游方向及深度方向均為1倍壩高。順?biāo)飨驗(yàn)閄軸,指向下游為正,橫河向?yàn)閅軸,指向左岸為正,豎直向?yàn)閆軸,向上為正。
圖1 升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)布置(圖中紅點(diǎn)、黃點(diǎn)分別為螺母柱、齒條位置)Fig.1 Arrangement diagram of shiplift tower structure (red and yellow dots are respectively nut column and rack)
3DCRCPCG軟件包括溫度場(chǎng)計(jì)算程序、溫度應(yīng)力計(jì)算程序和配套的前后處理程序,采用FORTRAN語(yǔ)言編寫而成,具有計(jì)算速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。在仿真計(jì)算中可模擬建筑物建造過程、混凝土通水冷卻及保溫情況,考慮自生體積變形、徐變、熱學(xué)性能和邊界條件隨時(shí)間變化以及結(jié)構(gòu)荷載和接觸問題等因素。溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力計(jì)算程序是相互獨(dú)立的,先計(jì)算溫度場(chǎng),后計(jì)算溫度應(yīng)力。在溫度場(chǎng)的計(jì)算中對(duì)時(shí)間的離散采用向后差分的隱式差分法,在溫度應(yīng)力的計(jì)算中采用初應(yīng)變法計(jì)及徐變的影響。方程組的求解采用對(duì)稱逐步超松弛預(yù)處理共軛梯度法的改進(jìn)迭代格式和超級(jí)元兩種快速算法。前處理程序是通過讀入少量的數(shù)據(jù)生成有限元程序所需的坐標(biāo)、單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)、氣溫邊界、約束條件和初始溫度等數(shù)據(jù)。后處理程序是從整體結(jié)構(gòu)中選取局部區(qū)域、剖面或結(jié)構(gòu)邊界的某些時(shí)間的計(jì)算成果,并形成引進(jìn)的和自行開發(fā)的可視化和繪圖程序所需的輸入數(shù)據(jù)文件。該軟件已經(jīng)在三峽、丹江口、烏東德等大型工程的溫度應(yīng)力計(jì)算課題中應(yīng)用,并取得了有效的計(jì)算成果。
溫度計(jì)算時(shí),塔柱外側(cè)高程84 m處連接地表面,高程84 m以下部分被覆蓋,故塔柱外側(cè)高程84 m以下部分為絕熱面,其余部位均考慮為與空氣接觸,按第三類邊界條件處理,放熱系數(shù)β取15 W/(m2·℃),基巖四周及底部按絕熱處理。應(yīng)力計(jì)算時(shí),基巖底面取全約束,兩側(cè)面及下游面取法向約束,上游面不約束。三峽氣象站1999~2005年實(shí)測(cè)平均氣溫見表1,根據(jù)表中數(shù)據(jù),得到擬合曲線:
式中,Tc(t)為氣溫,℃;t為計(jì)算時(shí)刻至1月1日的時(shí)間,d。
根據(jù)試算結(jié)果,在頂板澆筑之后,塔柱筒體內(nèi)表面(空腔內(nèi)部)年變幅稍小,內(nèi)部溫度滯后于外部溫度變化約1個(gè)月,故運(yùn)行期塔柱筒體內(nèi)采用的內(nèi)部溫度曲線為
表1 三峽氣象站1999~2005年平均氣溫Tab.1 Average temperature of the Three Gorgesmeteorological station in 1999~2005 ℃
根據(jù)長(zhǎng)江科學(xué)院的試驗(yàn)報(bào)告[8],混凝土熱學(xué)和力學(xué)性能參數(shù)見表2。塔柱運(yùn)行期,混凝土水化熱已釋放完畢,溫度隨氣溫變化,故運(yùn)行期不考慮混凝土絕熱溫升?;A(chǔ)彈性模量為30 GPa,各分區(qū)混凝土彈性模量采用如下擬合表達(dá)式E(t)=E0(1-e-AtB),其中,E0為混凝土最終彈性模量,GPa;t為混凝土齡期,d,擬合系數(shù)見表3。氣溫驟降、日照計(jì)算時(shí),各部位彈性模量取值見表4。
表2 混凝土熱學(xué)性能Tab.2 Thermal properties of concrete
表3 各分區(qū)混凝土彈性模量擬合系數(shù)Tab.3 Fitting coefficient of concrete elastic modulus
表4 計(jì)算氣溫驟降、日照時(shí)的彈模取值Tab.4 Elastic modulus under temperature drop and sunshine GPa
在進(jìn)行氣溫驟降及日照計(jì)算時(shí),由于歷時(shí)較短,不考慮混凝土徐變。在溫度應(yīng)力仿真計(jì)算中,考慮混凝土徐變變形的影響,采取的表達(dá)式如下
C(t,τ)=C1(τ)[1-e-k1(t-τ)]+C2(τ)[1-e-k2(t-τ)]
表5 徐變表達(dá)式擬合系數(shù)Tab.5 Fitting coefficient of creep expression
模擬氣溫驟降的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力計(jì)算中,首先在年氣溫變化條件下計(jì)算20 a時(shí)長(zhǎng)直至氣溫驟降發(fā)生,以此作為初始溫度場(chǎng)。再以氣溫驟降數(shù)據(jù)作為筒體外邊界溫度條件進(jìn)行計(jì)算,得到氣溫驟降時(shí)的溫度場(chǎng),以此為荷載進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。氣溫驟降全年統(tǒng)計(jì)見表6,三峽壩區(qū)正常運(yùn)行期2月實(shí)測(cè)的2~3 d最大降溫值為15.6℃,考慮單天最大降溫值,計(jì)算中按2 d降幅分別取為10℃,5.6℃。
表6 氣溫驟降全年統(tǒng)計(jì)Tab.6 Annual statistics of temperature drop ℃
日照作用計(jì)算分正日照與斜日照2種情況考慮。正日照指僅正面受太陽(yáng)幅射,斜日照指正面與一側(cè)面同時(shí)受太陽(yáng)的幅射。考慮到塔柱兩側(cè)高程84 m以下部分被覆蓋,基本不受日照影響,故正日照作用范圍為右側(cè)塔柱高程84 m以上外表面及左側(cè)塔柱航槽側(cè)高程140 m以上表面;斜日照作用范圍為塔柱下游側(cè)、右側(cè)塔柱高程84 m以上外表面及左側(cè)后塔柱航槽側(cè)表面。此次計(jì)算未考慮頂部日照。由長(zhǎng)江科學(xué)院日照試驗(yàn)資料[9]可知,向陽(yáng)面與背陽(yáng)面表面溫度分別為26.8℃和6.7℃,影響深度取為30 cm,見圖2,日照工況見表7。
圖2 日照作用實(shí)測(cè)溫度分布曲線[9]Fig.2 Measured temperature distribution curve of sunshine action
日照工況溫差幅值/(℃)混凝土齡期正日照塔柱筒體正面27℃,另三面0℃;橫梁、縱梁、墻體正面15℃,背日面0℃后期斜日照塔柱筒體正面和一側(cè)面27℃,另兩面0℃;橫梁、縱梁、墻體正面15℃,背日面0℃后期
混凝土的干縮變形主要是由混凝土內(nèi)部濕度變化引起的。因此精確計(jì)算混凝土濕度場(chǎng)是計(jì)算干縮變形的關(guān)鍵?;炷羶?nèi)部濕度分布滿足濕度擴(kuò)散方程
式中,C(x,y,z,t)為濕度含量,定義為混凝土當(dāng)前含水量與可蒸發(fā)水總量的比值,完全干燥時(shí)C=0%;含水量等于可蒸發(fā)水量時(shí)C=100%。kc為濕度擴(kuò)散系數(shù),它與混凝土材料性質(zhì)有關(guān),同時(shí)又與濕度大小有關(guān)。對(duì)于升船機(jī)進(jìn)行濕度場(chǎng)仿真模擬計(jì)算,初始濕度場(chǎng)C(x,y,z,t0)=C0(x,y,z,t0),C0為混凝土的初始濕度值,取100%。濕度擴(kuò)散系數(shù)kc在等溫條件下可表達(dá)成濕度C的函數(shù)[10]:
濕度場(chǎng)和干縮變形的計(jì)算對(duì)于網(wǎng)格密度的要求較高,不便于進(jìn)行塔柱整體模型的計(jì)算。為此,采用平面模型分析結(jié)構(gòu)在垂直向的干縮變位,見圖3。取與塔柱等高、寬度為1 m(模擬墻體厚度)的細(xì)長(zhǎng)方形模型為計(jì)算對(duì)象。主要模擬沿寬度方向的濕度變化(即墻體兩側(cè)與空氣接觸)所帶來的沿高度方向的收縮變形,空氣濕度取為75%。在變形計(jì)算中,細(xì)長(zhǎng)方形的底部全約束。干縮和濕度之間的關(guān)系按Δεsh=αshΔC計(jì)算,其中Δεsh為收縮應(yīng)變?cè)隽?,ΔC為濕度增量,αsh為干縮系數(shù)取1.5×10-3。
圖3 濕度場(chǎng)和干縮變形的網(wǎng)格示意Fig.3 Meshes diagram of humidity fieldand dry-shrinkage deformation
3.1.1溫度場(chǎng)
考慮到結(jié)構(gòu)以及荷載的對(duì)稱性,進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度及應(yīng)力仿真計(jì)算時(shí),采用1/4模型,以垂直升船機(jī)的右側(cè)前塔柱作為分析對(duì)象,見圖1(c)。計(jì)算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)在84 m以上各高程的分布基本相同,以高程118 m典型水平剖面為例,圖4給出了筒體在運(yùn)行期冬季、夏季的溫度分布圖??芍?,冬季筒體溫度在6℃~10℃之間,夏季筒體溫度在25℃~28℃之間,筒體內(nèi)外溫差不大。從夏季到冬季,內(nèi)部變化值約17℃,外部變化值約為21℃。
圖4 運(yùn)行期冬季、夏季筒體溫度分布(單位:℃)Fig.4 Temperature distribution of ship lift tower inwinter and summer operation period
3.1.2變 形
圖5為運(yùn)行期夏季至冬季塔柱結(jié)構(gòu)相對(duì)變形圖。塔體變形呈現(xiàn)出隨年氣溫周期性變化而變化的規(guī)律。從夏季到冬季,塔柱結(jié)構(gòu)總體呈收縮變形,其中豎直向下變形最大,頂部達(dá)到25.1 mm,順流向位移在上游側(cè)約為10 mm,橫河向位移在右塔柱外側(cè)約為5 mm。
圖5 從夏季到冬季結(jié)構(gòu)位移(單位:mm)Fig.5 Structural displacement from summer to winter
3.1.3應(yīng) 力
順流向應(yīng)力方面,筒體下部約束區(qū)有約2 MPa的拉應(yīng)力,筒體其它部位應(yīng)力水平不高。橫河向應(yīng)力方面,筒體本身應(yīng)力水平不高,夏季至冬季溫度變化引起的塔柱左右聯(lián)系梁的橫河向最大拉應(yīng)力約為0.36 MPa,表明年氣溫變化引起的塔柱聯(lián)系梁橫河向應(yīng)力不大。豎直向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力,壓應(yīng)力最大約為6 MPa,位于筒體下部外側(cè)面。
氣溫驟降至最低溫(外界氣溫為-7.2℃)時(shí),筒體表面溫度在-2.9℃左右,筒體內(nèi)溫度則為7℃~9℃,相比降溫前,表面溫度變化約11.3℃,表面附近溫度梯度較大。此時(shí)塔柱順流向位移基本向結(jié)構(gòu)中部收縮,最大值在上游側(cè)頂部,約為4.2 mm;橫河向位移,外側(cè)墻由下至上依次增大,最大位移位于頂部,約2.3 mm;豎直向位移,從下至上依次增大,筒體頂部豎直向位移達(dá)到4.4 mm。此時(shí)塔柱順流向底板表面拉應(yīng)力約為3.0 MPa,影響深度1 m左右,筒體外表面拉應(yīng)力約為2.4 MPa;橫河向底板表面拉應(yīng)力約為2.6 MPa;豎直向筒體結(jié)構(gòu)外表面基本處于受拉狀態(tài),應(yīng)力在2.5 MPa左右。
氣溫驟降作用時(shí)齒條、螺母柱部位的位移沿高程分布見圖6。由圖可知,齒條、螺母柱豎直向收縮,位移最大值均位于頂部,從下至上呈線性分布,最大值分別為3.8,3.9 mm。順流向位移、橫河向位移最大值也基本位于結(jié)構(gòu)上部,齒條部位兩方向的最大位移分別為0.83,1.32 mm,螺母柱部位兩向的最大位移分別為1.09,1.77 mm。
圖6 氣溫驟降時(shí)齒條、螺母柱部位位移沿高程分布Fig.6 Displacement distribution of rack and nut columnalong the elevation under temperature drops
3.3.1正日照對(duì)塔柱結(jié)構(gòu)變形的影響
受表面升溫的影響,塔柱在順流向、豎直向變形均表現(xiàn)為膨脹作用(見圖7)。順流向位移變形規(guī)律為上游側(cè)向上游位移,下游側(cè)向下游位移,沿高程由下至上,位移量依次增大,最大位移約0.97 mm;橫河向位移在塔柱右側(cè)面中間部分向外變形,最大值約1.4 mm,在上、下游頂部較大,右側(cè)塔柱最大位移為3.2 mm,左側(cè)塔柱最大位移為2.7 mm,塔柱頂部高程位移基本為橫河向正向,變形量約為2.2 mm;豎直向位移變形規(guī)律基本是向上方向的變形,沿高程由下至上位移量依次增大,筒體部位上方變形量最大值約1.6 mm。
圖7 正日照塔柱結(jié)構(gòu)位移(單位:mm)Fig.7 Structural displacement of ship lift towerunder normal sunlight
3.3.2斜日照對(duì)塔柱結(jié)構(gòu)變形的影響
對(duì)于順流向位移,結(jié)構(gòu)表面表現(xiàn)為膨脹作用,但由于下游側(cè)也受到日照作用,所以上下游塔柱變形不具有對(duì)稱性:下游面中部向下游變形而外拱,下游側(cè)頂部向下游側(cè)的位移比正日照時(shí)有所減小,頂點(diǎn)向上游位移為1.27 mm。對(duì)于橫河向位移,塔柱右側(cè)面(日照面)中間部分向外變形,最大值約1.3 mm,橫河向位移以左側(cè)塔柱下游外側(cè)頂部最大,約為3.6 mm,右側(cè)塔柱最大位移則為2.96 mm。受日照面在豎直向表現(xiàn)為膨脹作用,沿高程由下至上,位移量逐漸增大;受下游面升溫影響,下游側(cè)塔柱的豎向位移增大,筒體部位上方變形量最大,達(dá)到1.77~1.86 mm,見圖8。
3.3.3日照對(duì)齒條螺母柱變形的影響
圖9~10給出了正日照、斜日照作用下齒條、螺母柱部位位移沿高程方向分布。齒條部位,正日照橫河向最大位移為1.43 mm,斜日照最大值為1.38 mm,均發(fā)生在高程120 m處,主要是由于升溫導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中部外拱所致。同時(shí),受溫升影響結(jié)構(gòu)向上位移,數(shù)值在0.4 mm以下。螺母柱部位位移與齒條部位規(guī)律一致,橫河向最大位移為1.05 mm,豎直向位移在0.4 mm以下。由以上結(jié)果可知,日照作用在齒條、螺母柱部位引起的位移較小。
圖9 日照作用時(shí)齒條部位位移沿高程方向分布Fig.9 Displacement distribution of rackalong the elevation under sunlight
如2.8節(jié)所述,在混凝土初始濕度值取100%,空氣濕度值取75%的計(jì)算條件下,進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)40 a的濕度場(chǎng)及干縮位移變形計(jì)算。圖11為不同干燥齡期的塔柱混凝土內(nèi)部濕度分布圖。由圖11可知,塔柱混凝土濕度的傳導(dǎo)是非常緩慢的。經(jīng)過2個(gè)月后濕度有約10%變幅的區(qū)域僅限于表層4 cm,6個(gè)月后約為7 cm,1 a后約為10 cm;深度為25 cm處的混凝土2 a后的濕度變化減少量約為4%,5 a后的濕度變化減少量約為8%,10 a后的濕度變化減少量約為13%,20 a后的濕度變化減少量約為17%。塔柱混凝土中心處的濕度5 a的變化減少量約4%,10 a的變化減少量約9%,20 a的變化減少量約15%;40 a的塔柱內(nèi)部濕度場(chǎng)接近于80%,濕度場(chǎng)基本趨于穩(wěn)定。離塔柱混凝土表面越深,濕度變化速率越小。雖然混凝土濕度傳導(dǎo)很慢,但在塔柱混凝土干燥期的前5 a,表面區(qū)域濕度場(chǎng)的變化較大,塔柱內(nèi)外出現(xiàn)較大的濕度差,這種較大的濕度差易產(chǎn)生表面拉應(yīng)力,從而引起表面裂縫。
圖10 日照作用時(shí)螺母柱部位位移沿高程方向分布Fig.10 Displacement distribution of nut columnalong the elevation under sunlight
圖12為塔柱不同部位垂直向位移變化曲線。由圖可知,塔柱頂部位移最大,40 a后塔柱頂部位移約-4.2 cm(負(fù)號(hào)表示收縮變形);在塔柱混凝土干燥的早期,位移的變化幅度較大,這是因?yàn)榛炷帘砻鏉穸茸兓^快,從而引起了較大的濕度變形。到了塔柱混凝土干燥的后期,塔柱位移變幅逐漸減小直至穩(wěn)定。
圖11 不同干燥齡期的塔柱混凝土內(nèi)部濕度分布Fig.11 Internal humidity distribution of towerconcrete at different dry ages
圖12 塔柱不同部位位移變化曲線Fig.12 Displacement variation curve of towercolumn at different positions
(1) 運(yùn)行期各季節(jié)塔柱筒體內(nèi)外溫差不大,變形隨年氣溫周期性變化而變化,各方向應(yīng)力水平不高,最大值在2 MPa以內(nèi)。
(2) 氣溫驟降引起塔柱結(jié)構(gòu)順流向、橫河向、豎直向3個(gè)方向的位移最大值分別約為4.2,2.3,4.4 mm,底板及筒體3個(gè)方向的應(yīng)力最大值約3.0,2.6,2.5 MPa;齒條、螺母柱3個(gè)方向的位移最大值約4.0,1.1,1.8 mm。
(3) 在正日照和斜日照作用下,塔柱結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為膨脹現(xiàn)象,其中斜日照作用下塔體變形量略大一些,在齒條、螺母柱部位引起的位移較小。
(4) 塔柱混凝土濕度的傳導(dǎo)非常緩慢,在混凝土初始濕度值取100%,空氣濕度值取75%的計(jì)算條件下,計(jì)算至第40年,塔柱內(nèi)部濕度場(chǎng)接近于80%,濕度場(chǎng)基本趨于穩(wěn)定。離塔柱混凝土表面越深,濕度變化速率越小。在塔柱混凝土干燥的早期,混凝土表面濕度變化較快,從而引起了較大的濕度變形,塔柱位移的變化幅度較大,而后期位移變幅逐漸減小直至穩(wěn)定。