地下廠房巖錨梁溫控仿真計算

王國強,焦石磊

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

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地下廠房巖錨梁溫控仿真計算

王國強,焦石磊

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

根據(jù)某蓄能電站地下廠房巖錨梁具體實例,基于Ansys三維仿真軟件對巖錨梁砼溫度及溫度應力進行仿真計算。計算結果表明,巖錨梁混凝土在一定的溫控措施下施工,可有效降低砼內部最高溫度,同時達到降低溫度應力的目的。文中三維有限元溫控計算中參數(shù)的選取、計算方法以及計算結果的分析,對工程有一定的指導意義,亦可為類似工程提供仿真參考。

巖錨梁；溫度；溫度應力；仿真計算

1 概述

巖錨梁又稱巖壁吊車梁,與普通的現(xiàn)澆梁相比,不設立柱,充分利用圍巖的承載能力,與其他結構梁相比,能縮窄地下廠房的跨度,減少工程量,降低工程造價,此外巖錨梁的提前施工又為下一步的施工創(chuàng)造了十分有利的條件,可縮短整個主廠房的工期,因此經濟效益極為顯著。鑒于巖錨梁的重要性,大體積巖錨梁混凝土的施工質量就顯得尤為重要。考慮到電站地下廠房跨度較大,橋機輪壓大,為了避免混凝土施工時產生裂縫,對廠房后期運行埋下安全隱患,施工中必須采取嚴格有效的溫控措施。國內對巖錨梁施工及溫控已有一些研究成果[2-5],據(jù)統(tǒng)計,已經完工的巖錨梁,絕大多數(shù)的梁體均出現(xiàn)不同程度的垂直于梁長方面的橫向裂縫。對此有必要進行有限元仿真計算,找到溫度及溫度應力變化規(guī)律,以防止危害性裂縫的產生。

2 基本資料

2.1 工程概況

某蓄能電站地下廠房開挖尺寸為439 m×31 m×75 m(長×寬×高),廠房內安裝2臺10 000 kN單小車橋式起重機,最大輪壓1 100 kN。地下廠房圍巖為玄武巖,圍巖分類以Ⅱ類、Ⅲ1類為主。主廠房吊車梁采用巖錨梁結構型式,巖錨梁頂寬2.6 m,高3.0 m,左岸巖錨梁長384 m,右岸巖錨梁長387 m,在主機間與安裝間之間以及每個機組段設一永久結構縫,巖錨梁壁座角為34°。由于錨桿及錨索對巖錨梁砼溫度及溫度應力仿真計算結果基本無影響,因此文中建模及計算過程未考慮錨桿及錨索。

2.2 基本資料及計算條件

溫控研究首先需建立對應模型,然后根據(jù)有關邊界條件及參數(shù)(主要包括空氣溫度,地溫,混凝土的力學、熱學和變形性能指標,圍巖的力學、熱學及變形性能指標等),設定計算條件,在進行仿真計算。

1) 計算模型

計算時選取具有代表性的10 m的結構段,巖錨梁橫斷面結構圖見圖1。

圖1 巖錨梁中央斷面剖面示意(錨桿及鋼筋未示)

巖錨梁三維有限元模型和局部網(wǎng)格見圖2。規(guī)定沿洞軸線往洞外為Z軸正向,垂直巖錨梁外表面為X軸正向,鉛直向上為Y軸正向。取圍巖厚度取 10 m,圍巖和巖錨梁結構采用空間八結點等參單元,單元類型為Solid70(應力場計算中采用Solid45等效結構單元代替),共劃分三維塊體單元5 560個。

圖2 巖錨梁混凝土有限元模型示意

2) 邊界條件

圍巖周邊距離巖錨梁混凝土澆筑段較遠處,給予絕熱邊界條件和全約束力學邊界條件。模板在拆模前起法向約束作用；在溫度場計算中需考慮拆模前后對混凝土表面的散熱影響,拆模前是光滑鋼表面與空氣熱對流邊界條件,拆模后是光滑固體表面與空氣熱對流邊界。在拆模后用灑水養(yǎng)護時,有灑水養(yǎng)護的表面成為混凝土表面與流水熱對流邊界,這些邊界均屬于第三類熱學邊界條件[1]。

3) 環(huán)境空氣溫度

地下廠房溫度較為恒定,夏季最高溫度28 ℃；冬季最低溫度24 ℃。并采用余弦函數(shù)曲線模擬氣溫年周期性變化,表達式為：

(1)

式中 Ta為環(huán)境氣溫；A為多年平均氣溫；B為氣溫年變幅。取A=24 ℃,氣溫年變幅為B=3 ℃,最高氣溫日期距離1月1日的天數(shù)為C=210d。

4) 地溫

地溫的分布較為穩(wěn)定均勻,一般地表附近接近月平均氣溫,地下廠房在地下的埋深較深,圍巖初溫取為多年平均氣溫：夏季為28 ℃,冬季為24 ℃。

5) 混凝土的熱力學參數(shù)

地下廠房巖錨梁混凝土熱、力學參數(shù)如表1及表2所示。

表1 巖錨梁混凝土熱學性能參數(shù)

表2 巖錨梁混凝土力學性能參數(shù)

6) 混凝土徐變參數(shù)

根據(jù)徐變實驗數(shù)據(jù),混凝土徐變采用函數(shù)表達式為：

C(t,τ)=(a0+b0τ-c0)×[1-e-(a1+b1τ-c1)×(t～τ)a2+b2ln(τ+1)]

(2)

式中 τ為齡期,d；t～τ為持荷時間,d；a0、b0、c0、a1、b1、c1、a2、b2為公式系數(shù)。

根據(jù)彈模試驗數(shù)據(jù),彈模擬合公式的函數(shù)表達式為：

E(τ)=a×104×(1-e-bτc)

(3)

式中 τ為齡期,d； a、b、c為公式系數(shù)。

7) 圍巖的熱學與力學參數(shù)

地下廠房巖錨梁圍巖熱力學參數(shù)值,見表3。

表3 巖錨梁圍巖熱力學性能指標

8) 抗裂安全系數(shù)的計算

抗裂安全系數(shù)的計算公式為:

(4)

地下工程混凝土施工期溫度應力的抗裂安全系數(shù)最小值,目前水利水電方面的有關規(guī)范還沒有明確的規(guī)定。最新混凝土重力壩設計規(guī)范(SL319—2005)規(guī)定大壩的抗裂安全系數(shù)按1.5～2.0取值,考慮到地下工程的等級一般低于攔河大壩,其允許抗裂安全系數(shù)按小值取為1.5。

3 溫控計算分析

以10m結構段為研究對象,模擬實際施工過程,分析巖錨梁混凝土在夏季高溫期間施工的溫度場和溫度應力場的分布特點及變化規(guī)律。計算的基本方案條件為：自7月1日開始澆筑,開澆時空氣溫度為一年中最高溫度,混凝土采取加冰拌合措施后的澆筑溫度為26 ℃,采用分段跳倉,泵送砼入倉,開澆后7d拆模,澆筑混凝土表面灑水養(yǎng)護28d,圍巖初溫取為28 ℃。

3.1 溫度場分析

研究表明,巖錨梁最高溫度一般出現(xiàn)在10m澆筑段的中間斷面,且澆筑段的中間斷面是最易出現(xiàn)裂縫的危險斷面。因此,本文著重分析中間斷面的溫度場和應力場。

計算表明,從開澆時起,巖錨梁混凝土溫度場一般經歷了水化熱溫升、溫降、隨環(huán)境氣溫周期變化3個階段。在水化熱溫升階段,沿廠房軸線方向巖錨錨梁梁中央斷面溫度場最高,現(xiàn)分3個階段描述和分析實際澆筑方案條件下溫度場變化基本規(guī)律,詳見表4,表面點及內部點溫度歷時曲線見圖3。

表4 中央斷面代表點最高溫度及出現(xiàn)齡期

圖3 中央斷面代表點溫度歷時曲線

溫升階段：澆筑后,巖錨梁溫度場迅速升高,巖錨梁內部混凝土溫升速度最快,溫度峰值最高；開澆后4d左右,巖錨梁Z=-5m斷面的表面點最高溫度為34.55 ℃,最大溫升7.55 ℃,出現(xiàn)于混凝土側表面；開澆后6d左右,中央部位出現(xiàn)最高溫度44.44 ℃,最大溫升17.44 ℃。

溫降階段：混凝土溫度達到最大峰值后,即進入溫降階段。巖錨梁表面最高溫度達34.55 ℃,與環(huán)境溫度溫差較大,但表面散熱快,溫降明顯較快。由于混凝土體積較大,巖錨梁內部溫降速率相對要慢些。計算結果顯示,在拆模后10d左右,表面溫度逐漸由最高溫度降低到接近空氣溫度,在20d后,由于水化熱絕大部分已釋放出來,整個巖錨梁溫度場開始比較均勻下降,內部與表面同步溫降溫差在7 ℃以內,內部點溫降明顯較慢,且從齡期6d至齡期220d左右,內部點一直處于緩慢溫降的過程,在齡期220d以后,巖錨梁表面達到最低溫度約25 ℃,此時,巖錨梁內部點溫度為25.40 ℃,基本趨于穩(wěn)定。

隨環(huán)境氣溫周期性變化階段。澆筑約1個月后,巖錨梁表面溫度已基本趨同于洞內氣溫,開始隨氣溫作周期性(年變化)。灑水結束時表面點溫度降低至26.65 ℃,溫降7.9 ℃,已低于空氣溫度。巖錨梁內部點的溫度則在220d齡期之后才表現(xiàn)出隨環(huán)境溫度周期變化的規(guī)律,且是滯后廠房內空氣溫的周期性變化。

從特征齡期的溫度等值線圖可以更清晰地看出中央斷面處的溫度場分布情況及其隨齡期的發(fā)展過程,見圖4～7。

圖4 中央斷面第3 d齡期溫度等值線示意

圖5 中央斷面第7 d齡期溫度等值線示意

圖6 中央斷面第28 d齡期溫度等值線示意

圖7 中央斷面第220 d齡期溫度等值線示意

3.2 應力場分析

根據(jù)計算分析,各部位的應力一般經歷了壓應力增長、壓應力減小、產生拉應力、拉應力緩慢增長、拉應力快速增長并達到最大值、拉應力再減小、而后進入隨氣溫周期性變化這樣一個過程。具體代表點主應力值列于表5,各代表點的第一主應力歷時曲線見圖8。

表5 中央斷面表面點及內部點各代表齡期主應力值及抗裂安全系數(shù)

圖8 中央斷面中間點主應力歷時曲線示意

溫升階段：梁內多表現(xiàn)為少許壓應力,隨著混凝土溫度逐步下降和彈模的變化,受到巖體的約束和混凝土自身約束作用,內部溫度拉應力逐漸增大。

溫降階段：在早期溫降階段,由于巖錨梁體積較大,中心部位溫度較高且溫降速度較慢,而表層混凝土散熱快,迅速收縮,因而中央混凝土對表層產生相對約束作用使之首先出現(xiàn)拉應力。表面溫度逐漸降到與空氣溫度相同,灑水結束時溫度低于氣溫,隨后表面點溫度上升為空氣溫度,拉應力明顯減小,表面點溫度隨氣溫周期變化的同時應力也周期性變化,但表面點應力較小,始終滿足抗裂要求。由于巖錨梁體積較大,巖錨梁中央斷面內部點溫升幅度最大,隨時間的進程,表層混凝土溫度場相對下降緩慢,拉應力相對增長較慢,內部混凝土因先期的高溫,溫度仍在快速下降并受兩側混凝土的相對約束作用,拉應力逐漸增長,應力值顯然大于表面混凝土。溫降后期,溫度場繼續(xù)下降,整個梁體繼續(xù)收縮,混凝土的主拉應力進一步增大,應力分布表現(xiàn)為中央點部位最大,表面點次之。其溫度隨氣溫降低過程中,溫度一直下降,故拉應力也一直變大,直至250齡期時拉應力達到最大值2.06MPa,抗裂安全系數(shù)為1.55,滿足抗裂要求。后期隨氣溫升高,拉應力隨后變小,呈周期性變化。

4 結語

以某蓄能電站廠房巖錨梁為例,計算得出并分析了巖錨梁在夏季施工后的溫度場及溫度應力場變化規(guī)律,類似工程中,均可采取文中方法進行有限元仿真計算,反推得到控制的入倉溫度,進而采取相應的溫控措施,如加冰拌合以降低入倉溫度、預埋冷卻水管進行通水冷卻以降低內部砼最高溫升,達到減小溫度應力的作用。

[1] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1999．

[2] 黃繼華,孟凡國,胡亞林. 地下電站巖錨梁混凝土溫控防裂[J].水電與抽水蓄能,2015(14)：19-20．

[3] 代紹華,陳芝煥. 三峽地下廠房巖錨梁“無裂縫混凝土”施工技術[J]. 云南水力發(fā)電, 2011, 27(4):83-86.

[4] 徐躍之,肖漢江,陜亮. 三峽電站地下廠房巖錨梁溫度應力控制措施探討[J]. 水利水電科技進展, 2008, 28(3):50-53.

[5] 雷文娟,段亞輝,李丹楓. 某水電站地下廠房巖錨梁混凝土溫控優(yōu)化研究[J]. 中國水運, 2013, 13(6):320-322.

(本文責任編輯 馬克俊)

Temperature Control Simulation of Rock Anchor Beam in Underground Workshop

WANG Guoqiang，JIAO Shilei

(Guangdong Hydropower Planning&Design Institute，Guangzhou 510635，China)

Depend on an instance of storage power station, the simulation has been given to temperature and thermal stress of the crane beam on rock wall of underground workshop, base on 3D simulation software. Results show that the maximum internal temperature of concrete can effectively be reduced, if construction under certain measures. And temperature stress will be reduced accordingly. Except the selection of parameters, and the method of computing, analysis of calculation results in this paper has certain guiding sense to the project, can also provide simulation reference for similar proje.

rock anchor beam； temperature； thermal stresses； simulation calculation

2016-05-03;

2016-05-23

王國強(1981),男,本科,工程師,從事水利水電工程施工組織設計工作。

TV315

B

1008-0112(2016)06-0041-04