王國(guó)強(qiáng),焦石磊

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)

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地下廠房巖錨梁溫控仿真計(jì)算

王國(guó)強(qiáng),焦石磊

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)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(shí)例,基于Ansys三維仿真軟件對(duì)巖錨梁砼溫度及溫度應(yīng)力進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)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(nèi)部最高溫度,同時(shí)達(dá)到降低溫度應(yīng)力的目的。文中三維有限元溫控計(jì)算中參數(shù)的選取、計(jì)算方法以及計(jì)算結(jié)果的分析,對(duì)工程有一定的指導(dǎo)意義,亦可為類似工程提供仿真參考。

巖錨梁；溫度；溫度應(yīng)力；仿真計(jì)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(shè)立柱,充分利用圍巖的承載能力,與其他結(jié)構(gòu)梁相比,能縮窄地下廠房的跨度,減少工程量,降低工程造價(jià),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(gè)主廠房的工期,因此經(jīng)濟(jì)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(zhì)量就顯得尤為重要。考慮到電站地下廠房跨度較大,橋機(jī)輪壓大,為了避免混凝土施工時(shí)產(chǎn)生裂縫,對(duì)廠房后期運(yùn)行埋下安全隱患,施工中必須采取嚴(yán)格有效的溫控措施。國(guó)內(nèi)對(duì)巖錨梁施工及溫控已有一些研究成果[2-5],據(jù)統(tǒng)計(jì),已經(jīng)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(zhǎng)方面的橫向裂縫。對(duì)此有必要進(jìn)行有限元仿真計(jì)算,找到溫度及溫度應(yīng)力變化規(guī)律,以防止危害性裂縫的產(chǎn)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(zhǎng)×寬×高),廠房?jī)?nèi)安裝2臺(tái)10 000 kN單小車橋式起重機(jī),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(jié)構(gòu)型式,巖錨梁頂寬2.6 m,高3.0 m,左岸巖錨梁長(zhǎng)384 m,右岸巖錨梁長(zhǎng)387 m,在主機(jī)間與安裝間之間以及每個(gè)機(jī)組段設(shè)一永久結(jié)構(gòu)縫,巖錨梁壁座角為34°。由于錨桿及錨索對(duì)巖錨梁砼溫度及溫度應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果基本無(wú)影響,因此文中建模及計(jì)算過(guò)程未考慮錨桿及錨索。

2.2 基本資料及計(jì)算條件

溫控研究首先需建立對(duì)應(yīng)模型,然后根據(jù)有關(guān)邊界條件及參數(shù)(主要包括空氣溫度,地溫,混凝土的力學(xué)、熱學(xué)和變形性能指標(biāo),圍巖的力學(xué)、熱學(xué)及變形性能指標(biāo)等),設(shè)定計(jì)算條件,在進(jìn)行仿真計(jì)算。

1) 計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)選取具有代表性的10 m的結(jié)構(gòu)段,巖錨梁橫斷面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)采用空間八結(jié)點(diǎn)等參單元,單元類型為Solid70(應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算中采用Solid45等效結(jié)構(gòu)單元代替),共劃分三維塊體單元5 560個(gè)。

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(yuǎn)處,給予絕熱邊界條件和全約束力學(xué)邊界條件。模板在拆模前起法向約束作用；在溫度場(chǎng)計(jì)算中需考慮拆模前后對(duì)混凝土表面的散熱影響,拆模前是光滑鋼表面與空氣熱對(duì)流邊界條件,拆模后是光滑固體表面與空氣熱對(duì)流邊界。在拆模后用灑水養(yǎng)護(hù)時(shí),有灑水養(yǎng)護(hù)的表面成為混凝土表面與流水熱對(duì)流邊界,這些邊界均屬于第三類熱學(xué)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(dá)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(xué)參數(shù)

地下廠房巖錨梁混凝土熱、力學(xué)參數(shù)如表1及表2所示。

表1 巖錨梁混凝土熱學(xué)性能參數(shù)

表2 巖錨梁混凝土力學(xué)性能參數(shù)

6) 混凝土徐變參數(shù)

根據(jù)徐變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),混凝土徐變采用函數(shù)表達(dá)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(shí)間,d；a0、b0、c0、a1、b1、c1、a2、b2為公式系數(shù)。

根據(jù)彈模試驗(yàn)數(shù)據(jù),彈模擬合公式的函數(shù)表達(dá)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(xué)與力學(xué)參數(shù)

地下廠房巖錨梁圍巖熱力學(xué)參數(shù)值,見表3。

表3 巖錨梁圍巖熱力學(xué)性能指標(biāo)

8) 抗裂安全系數(shù)的計(jì)算

抗裂安全系數(shù)的計(jì)算公式為:

(4)

地下工程混凝土施工期溫度應(yīng)力的抗裂安全系數(shù)最小值,目前水利水電方面的有關(guān)規(guī)范還沒(méi)有明確的規(guī)定。最新混凝土重力壩設(shè)計(jì)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(jí)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(jì)算分析

以10m結(jié)構(gòu)段為研究對(duì)象,模擬實(shí)際施工過(guò)程,分析巖錨梁混凝土在夏季高溫期間施工的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)的分布特點(diǎn)及變化規(guī)律。計(jì)算的基本方案條件為：自7月1日開始澆筑,開澆時(shí)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(cāng),泵送砼入倉(cāng),開澆后7d拆模,澆筑混凝土表面灑水養(yǎng)護(hù)28d,圍巖初溫取為28 ℃。

3.1 溫度場(chǎng)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(xiǎn)斷面。因此,本文著重分析中間斷面的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

計(jì)算表明,從開澆時(shí)起,巖錨梁混凝土溫度場(chǎng)一般經(jīng)歷了水化熱溫升、溫降、隨環(huán)境氣溫周期變化3個(gè)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(chǎng)最高,現(xiàn)分3個(gè)階段描述和分析實(shí)際澆筑方案條件下溫度場(chǎng)變化基本規(guī)律,詳見表4,表面點(diǎn)及內(nèi)部點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線見圖3。

表4 中央斷面代表點(diǎn)最高溫度及出現(xiàn)齡期

圖3 中央斷面代表點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線

溫升階段：澆筑后,巖錨梁溫度場(chǎng)迅速升高,巖錨梁內(nèi)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(diǎn)最高溫度為34.55 ℃,最大溫升7.55 ℃,出現(xiàn)于混凝土側(cè)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(dá)到最大峰值后,即進(jìn)入溫降階段。巖錨梁表面最高溫度達(dá)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(nèi)部溫降速率相對(duì)要慢些。計(jì)算結(jié)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(lái),整個(gè)巖錨梁溫度場(chǎng)開始比較均勻下降,內(nèi)部與表面同步溫降溫差在7 ℃以內(nèi),內(nèi)部點(diǎn)溫降明顯較慢,且從齡期6d至齡期220d左右,內(nèi)部點(diǎn)一直處于緩慢溫降的過(guò)程,在齡期220d以后,巖錨梁表面達(dá)到最低溫度約25 ℃,此時(shí),巖錨梁內(nèi)部點(diǎn)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(gè)月后,巖錨梁表面溫度已基本趨同于洞內(nèi)氣溫,開始隨氣溫作周期性(年變化)。灑水結(jié)束時(shí)表面點(diǎn)溫度降低至26.65 ℃,溫降7.9 ℃,已低于空氣溫度。巖錨梁內(nèi)部點(diǎn)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?jī)?nèi)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(chǎng)分布情況及其隨齡期的發(fā)展過(guò)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(yīng)力場(chǎng)分析

根據(jù)計(jì)算分析,各部位的應(yīng)力一般經(jīng)歷了壓應(yīng)力增長(zhǎng)、壓應(yīng)力減小、產(chǎn)生拉應(yīng)力、拉應(yīng)力緩慢增長(zhǎng)、拉應(yīng)力快速增長(zhǎng)并達(dá)到最大值、拉應(yīng)力再減小、而后進(jìn)入隨氣溫周期性變化這樣一個(gè)過(guò)程。具體代表點(diǎn)主應(yīng)力值列于表5,各代表點(diǎn)的第一主應(yīng)力歷時(shí)曲線見圖8。

表5 中央斷面表面點(diǎn)及內(nèi)部點(diǎn)各代表齡期主應(yīng)力值及抗裂安全系數(shù)

圖8 中央斷面中間點(diǎn)主應(yīng)力歷時(shí)曲線示意

溫升階段：梁內(nèi)多表現(xiàn)為少許壓應(yīng)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(nèi)部溫度拉應(yīng)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(duì)表層產(chǎn)生相對(duì)約束作用使之首先出現(xiàn)拉應(yīng)力。表面溫度逐漸降到與空氣溫度相同,灑水結(jié)束時(shí)溫度低于氣溫,隨后表面點(diǎn)溫度上升為空氣溫度,拉應(yīng)力明顯減小,表面點(diǎn)溫度隨氣溫周期變化的同時(shí)應(yīng)力也周期性變化,但表面點(diǎn)應(yīng)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(nèi)部點(diǎn)溫升幅度最大,隨時(shí)間的進(jìn)程,表層混凝土溫度場(chǎng)相對(duì)下降緩慢,拉應(yīng)力相對(duì)增長(zhǎng)較慢,內(nèi)部混凝土因先期的高溫,溫度仍在快速下降并受兩側(cè)混凝土的相對(duì)約束作用,拉應(yīng)力逐漸增長(zhǎng),應(yīng)力值顯然大于表面混凝土。溫降后期,溫度場(chǎng)繼續(xù)下降,整個(gè)梁體繼續(xù)收縮,混凝土的主拉應(yīng)力進(jìn)一步增大,應(yīng)力分布表現(xiàn)為中央點(diǎn)部位最大,表面點(diǎn)次之。其溫度隨氣溫降低過(guò)程中,溫度一直下降,故拉應(yīng)力也一直變大,直至250齡期時(shí)拉應(yīng)力達(dá)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(yīng)力隨后變小,呈周期性變化。

4 結(jié)語(yǔ)

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

[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] 黃繼華,孟凡國(guó),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(wú)裂縫混凝土”施工技術(shù)[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(yīng)力控制措施探討[J]. 水利水電科技進(jìn)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(guó)水運(yùn), 2013, 13(6):320-322.

(本文責(zé)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(guó)強(qiáng)(1981),男,本科,工程師,從事水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)工作。

TV315

B

1008-0112(2016)06-0041-04