丁兵勇 田建海 郭德昌

摘? ?要： 沙坪二級(jí)水電站廠房為貫流式機(jī)組廠房，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，施工程序繁多，對(duì)混凝土防裂不利?；诜欠€(wěn)定溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的有限元計(jì)算方法，提出流道混凝土溫控防裂措施。構(gòu)建計(jì)算模型，設(shè)計(jì)計(jì)算工況：一是將混凝土澆筑溫度控制在20℃以內(nèi);二是混凝土澆筑完成或進(jìn)入施工期第一個(gè)冬季時(shí)，對(duì)表面采取保溫措施;三是混凝土澆筑完成后立即通水冷卻。措施應(yīng)用后，流道中墩、進(jìn)水口底板等拉應(yīng)力較大部位的溫升、溫降幅度顯著降低，拉應(yīng)力顯著減小，滿足了混凝土的抗裂安全要求。

關(guān)鍵詞： 貫流式機(jī)組廠房;流道混凝土;有限元;溫度;拉應(yīng)力;溫控防裂

中圖分類號(hào)：TV544+.91? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 06-117-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.021

引言

沙坪二級(jí)水電站廠房為貫流式機(jī)組廠房，結(jié)構(gòu)尺寸巨大，主體混凝土約53萬(wàn)立方米，其中流道混凝土約40萬(wàn)立方米，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、施工工序繁多，混凝土施工質(zhì)量保證難度大，對(duì)混凝土溫控防裂不利，有必要開(kāi)展相應(yīng)的溫控防裂研究。

本文采用非穩(wěn)定溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的有限元計(jì)算方法[1]，對(duì)沙坪二級(jí)水電站廠房流道混凝土的施工全過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算分析，揭示其溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的發(fā)展過(guò)程和分布規(guī)律，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出切實(shí)可行的溫控防裂措施，以期為同類型廠房的溫控防裂設(shè)計(jì)和施工提供有益參考。

1? 計(jì)算模型和參數(shù)

1.1? 計(jì)算模型

沙坪二級(jí)水電站廠房標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段為流道混凝土結(jié)構(gòu)，上下游方向長(zhǎng)81.9 m，寬39.4 m，高50 m。地基范圍在上下游和深度方向各延伸一倍結(jié)構(gòu)高度。依據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃安排，共分17個(gè)澆筑層，每層內(nèi)含1～6個(gè)澆筑塊。澆筑層層間間隔14 d，層內(nèi)相鄰澆筑塊間隔7 d。有限元計(jì)算混凝土模型如圖1所示。

1.2? 主要計(jì)算參數(shù)

材料（基巖和混凝土）的熱學(xué)和力學(xué)計(jì)算參數(shù)[2-6]分別如表1和表2所示。

混凝土彈模計(jì)算公式為：

其中，為加載齡期（單位：d）。

混凝土徐變計(jì)算公式為：

其中，t為時(shí)間（單位：d）。

1.3? 邊界條件

溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，地基底面及四周側(cè)面取為絕熱邊界，結(jié)構(gòu)上下游面及臨空面取為固體散熱邊界。

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，其它臨空面取為自由邊界。

2? 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

2.1? 工況1

6月1日首倉(cāng)混凝土澆筑，控制澆筑溫度不低于5℃，不高于28℃。

2.2? 工況2

6月1日首倉(cāng)混凝土澆筑，控制澆筑溫度不高于20℃。

表面保溫措施：混凝土澆筑完成后，立即對(duì)倉(cāng)面及模板外側(cè)覆蓋泡沫塑料板保溫，至齡期14 d時(shí)拆除。在進(jìn)入施工期的第一個(gè)冬季，對(duì)所有裸露表面覆蓋泡沫塑料板保溫，至冬季結(jié)束時(shí)拆除。

內(nèi)部冷卻措施：澆筑完成后立即通水冷卻，水管間距1.5 m×1.5 m，采用天然河水，流量1.5 m3/h，通水時(shí)間10 d，24 h換向一次。

3? 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1? 工況1

工況1中流道各結(jié)構(gòu)部位計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示，其中關(guān)鍵數(shù)據(jù)用粗體標(biāo)出，并以圖2所示的y=-10.5 m剖面溫度、應(yīng)力包絡(luò)圖作為參照。主要認(rèn)識(shí)有：

（1）流道中墩處混凝土早期內(nèi)外溫差最大，達(dá)到18℃以上。對(duì)早期混凝土來(lái)說(shuō)，由于內(nèi)外溫差的作用，混凝土產(chǎn)生了相應(yīng)的內(nèi)外變形約束，此時(shí)外表面混凝土處于相對(duì)收縮變形的狀態(tài)，而內(nèi)部混凝土則相反，體積處于相對(duì)膨脹的狀態(tài)。因而，在表面受張拉的區(qū)域就有拉應(yīng)力的出現(xiàn)，而在結(jié)構(gòu)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)，混凝土表面的拉應(yīng)力就能夠達(dá)到甚至超過(guò)混凝土的即時(shí)允許應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土早期表面裂縫的產(chǎn)生。

（2）結(jié)構(gòu)多處混凝土早期表面拉應(yīng)力都超出其允許應(yīng)力，有必要采取早期表面保溫、內(nèi)部導(dǎo)熱降溫及降低入倉(cāng)溫度等措施，以降低早期混凝土過(guò)大的內(nèi)外溫差，從而降低混凝土產(chǎn)生早期表面裂縫的可能性。

（3）夏季澆筑的進(jìn)水口底板混凝土內(nèi)部最高溫度達(dá)到36℃以上。對(duì)后期混凝土來(lái)說(shuō)，受外界氣溫逐漸下降的影響， 底板混凝土結(jié)構(gòu)相對(duì)于下部地基處于溫降收縮變形狀態(tài)，在冬季寒冷時(shí)刻，混凝土內(nèi)外拉應(yīng)力達(dá)到最大，且當(dāng)后期溫降幅度足夠大時(shí)，混凝土內(nèi)外拉應(yīng)力就可能超過(guò)混凝土的即時(shí)允許應(yīng)力，造成混凝土的開(kāi)裂。

（4）在遭遇寒冷冬季時(shí)，夏季澆筑的進(jìn)水口底板混凝土處，后期混凝土表面拉應(yīng)力已超出允許應(yīng)力。有必要在冬季采取表面保溫及控制早期混凝土內(nèi)部溫升等措施，以降低后期溫降幅度，從而降低混凝土后期產(chǎn)生裂縫的可能性。

3.2? 工況2

工況2中流道各結(jié)構(gòu)部位計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示，并以圖3所示的y=-10.5 m剖面溫度、應(yīng)力包絡(luò)圖作為參照。主要認(rèn)識(shí)：

與工況1相比，采取降低澆筑溫度和“外保內(nèi)降相結(jié)合”的溫控措施后，一方面，混凝土早期內(nèi)外溫差大大減小，相應(yīng)的混凝土內(nèi)外相對(duì)變形減小，早期混凝土的表面拉應(yīng)力狀態(tài)也隨之得到改善，如流道中墩處，早期內(nèi)外溫差由工況1中的18.44℃減小到9.31℃，早期表面拉應(yīng)力由2.19 MPa減小到1.00 MPa，已滿足混凝土的抗裂安全要求;另一方面，混凝土的內(nèi)部溫升幅度降低，相應(yīng)后期溫降幅度明顯減小，從而使得由于后期溫降所產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力也明顯減小，如進(jìn)水口底板處，溫度峰值由工況1中的36.39℃減小到30.62℃，其后期拉應(yīng)力由2.22 MPa減小到1.55 MPa，也滿足混凝土的抗裂安全要求。

4? 結(jié)論

（1）混凝土開(kāi)裂可能性較大的時(shí)刻，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)。

（2）貫流式機(jī)組廠房流道混凝土拉應(yīng)力較大部位：一是位于強(qiáng)約束區(qū)的進(jìn)水口底板，二是位于混凝土厚度較大、散熱條件差的流道中墩部位。

（3）采取降低澆筑溫度和“外保內(nèi)降相結(jié)合”相結(jié)合的溫控措施，能顯著減小早期混凝土的溫升幅度和內(nèi)外溫差以及后期的溫降幅度，對(duì)混凝土的溫控防裂有多重作用，十分有效。

參考文獻(xiàn)

[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， 1999.

[2] 《三峽水利樞紐混凝土工程溫度控制研究》編委會(huì). 三峽水利樞紐混凝土工程溫度控制研究[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 2001.

[3] 張楊， 郭曉娜. 水電站廠房下部結(jié)構(gòu)混凝土溫控防裂分析[J]. 南水北調(diào)與水利科技， 2009， 7（3）： 101-103， 113.

[4] 頡志強(qiáng)， 強(qiáng)晟， 陳守開(kāi)， 等. 大型水電站廠房施工期混凝土開(kāi)裂機(jī)理和防裂方法研究[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2010， 32（4）： 29-33.

[5] 彭景文. 三峽電站廠房尾水管溫度應(yīng)力仿真計(jì)算分析[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)， 1995，12（4）： 26-31.

[6] 常曉林， 程井， 周偉. 軟基上廠房大體積混凝土施工期溫度應(yīng)力仿真[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）， 2007， 40（2）： 21-25.

作者簡(jiǎn)介：

丁兵勇，通信作者，男，漢族，安徽肥東人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

E-mail： ding_by@ecidi.com

（收稿日期：2020-09-14）