水电站厂房大体积混凝土温度应力分析与防裂措施
摘要：针对厂房混凝土结构施工期易开裂的问题，采用三维非稳定温度场及应力场的有限元计算方法，对某水电站厂房下部大体积混凝土结构的施工全过程进行数值模拟，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。经分析发现，在低温入仓的基础上，采取表面保温和内部导热降温相结合的温控防裂措施，可有效降低混凝土早期的内外温差和后期的温降幅度，从而提高厂房混凝土的抗裂安全性。
关键词：水电站厂房;大体积混凝土;有限元;温度应力;温控防裂
中图分类号：TU755文献标志码：A文章编号：
Analysisofthermalstressesandcrackcontrolmeasuresinmassconcreteofhydropowerstationpowerhouse
（1.HuadongEngineeringCorporation，Hangzhou310014，China;
3.SchoolofWaterResources，NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450045，China）
Abstract：Theconcretestructureofhydropowerstationpowerhousecaneasilycrackduringtheconstructionperiod.Inthispaper，three-dimensionalfiniteelementmethodwithunsteadytemperatureandstressfieldwasusedtosimulatethewholeconstructionprocessoftheunderpartconcretestructureofahydropowerstationpowerhouse.Thedevelopmentprocessanddistributionregularityofthetemperaturefieldandstressfieldwereobtained，andthefeasibletemperaturecontrolandcrackpreventionmethodswereproposedaccordingtothecomputationresults.Theanalysisshowedthatonthebasisoflowtemperaturebeforeconcretepouring，temperaturecontrolandcrackpreventionmeasureswithsurfaceheatpreservationandinternalheatconductioncaneffectivelydecreasethetemperaturedifferencebetweentheinternalandexternalearly-ageconcrete，andalsodecreasethetemperatureamplitudeoflater-ageconcrete，whichcanimprovethesafetyagainstcrackingofthepowerhouseconcrete.
Keywords：hydropowerstationpowerhouse;massconcrete;finiteelementmethod;thermalstresses;temperaturecontrolandcrackprevention
水电站厂房下部是一个形状复杂、体积庞大的大跨度厚壁空腔混凝土结构，受其自身和周围介质温度、湿度变化的影响，以及基岩的约束作用，往往在不同部位产生较大的温度应力，进而导致混凝土产生裂缝。如不有效控制混凝土裂缝的产生，将破坏厂房下部结构的整体性，缩短其使用寿命，甚至改变其结构的受力状态，影响建筑物安全。
本文采用混凝土非稳定温度场及应力场的有限元计算方法，依据混凝土材料热力学性能试验的研究成果，对某水电站厂房下部混凝土结构施工期的温度场及应力场进行仿真计算分析，并基于分析成果提出切实可行的温控防裂措施，进而有效控制混凝土温度裂缝的产生，为水电站厂房下部结构混凝土的温控设计和施工提供参考。
1计算原理及方法
1.1非稳定温度场计算原理及方法
在混凝土计算域R内任意一点处，非稳定温度场T（x，y，z，τ）需满足热传导方程：
Tτ=a（2Tx2+2Ty2+2Tz2）+θτ（1）
式中：T为温度（℃）;a为导温系数（m2/h），θ为绝热温升（℃）;τ为时间（h）。温度场有限元计算方法见文献[1]。
文献[1]中给出了一套近似解法，即把冷却水管看成负热源，在平均意义上考虑水管冷却效果，可得混凝土等效热传导方程：
Tτ=a（2Tx2+2Ty2+2Tz2）+（T0-TW）τ+θ0ψτ（2）
式中：T0为混凝土初温（℃）;TW为冷却水温度（℃）;为考虑初始温差影响的函数（℃）;ψ为考虑混凝土绝热温升影响的函数（℃）。
1.3应力场计算原理及方法
混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积应变增量，因此有 {Δεn}={Δεen}+{Δεcn}+{ΔεTn}+{ΔεSn}+{Δε0n}（3）
式中：{Δεen}为弹性应变增量;{Δεcn}为徐变应变增量;{ΔεTn}为温度应变增量;{ΔεSn}为干缩应变增量;{Δε0n}为自生体积应变增量。应力场有限元计算方法见文献[1]。
2计算模型和参数
2.1计算模型
2.2主要计算参数
工程区多年月平均气温统计见表1。
基岩和混凝土的主要热力学计算参数见表2和表3。
2.3边界条件
温度场计算时，计算模型中地基底面及四周侧面取为绝热边界，机组段的上下游面及其它临空面为固体散热边界，根据多年平均风速和覆盖的保温材料赋予相应的表面放热系数。应力场计算时，地基底面及四周侧面取为法向约束，其它临空面为自由边界。
3计算工况
4计算结果分析
4.1工况1计算结果分析
选取尾水管底板部位混凝土表面点和内部点作为特征点，绘制温度及应力历时曲线（图2）;选取机组横剖面作为典型剖面，绘制温度及应力包络图（图3），图中拉应力为正，压应力为负，Δ′t为允许应力曲线，由极限拉伸强度除以安全系数（为1.8）获得。
对于浇筑初期的混凝土，表层混凝土的温升幅度远小于内部混凝土，从而产生较大的内外温差。混凝土也因此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，处于相对体积膨胀的状态，因而在表面相对受张拉的区域出现拉应力，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。如图2中尾水管底板混凝土早期最大内外温差达到12℃左右时，表面拉应力已超出即时允许应力，极易导致混凝土早期表面裂缝的产生，有必要采取温控措施以降低早期混凝土过大的内外温差。
混凝土温度达到峰值以后就开始下降，但外表面降温幅度远小于内部的降温幅度，相对而言，此时内部混凝土的体积收缩变形大，而结构近表面区处于相对被压缩的变形状态。在温度变形作用下，表面拉应力和内部压应力逐渐减小。如图2所示，随着内部混凝土温度的进一步降低，混凝土内部的应力有可能从压应力转化为拉应力，从而表面混凝土逐渐表现为受压状态。当这种变形过大时，内部拉应力甚至会超过混凝土的允许抗拉强度。
若不考虑由内外温降幅度不同而引起的混凝土自身的应力状态变化，仅考虑受外界气温逐渐下降的影响（夏季高温阶段到冬季寒冷时刻），尾水管底板混凝土结构相对与下部地基来说，处于温降收缩变形状态，受地基约束作用影响，混凝土内外都呈现出拉应力增长或压应力减小趋势，并在环境气温最低时达到极值。由图3可以看出，在遭遇寒冷冬季时，夏季浇筑的尾水管底板混凝土，由于后期温降较大，再加上受地基强约束作用，后期混凝土的内外拉应力均已超出允许应力，此时极易造成混凝土开裂。可见，有必要采取温控措施以降低混凝土后期温降幅度。
4.2工况2计算结果分析
计算得出工况2的温度及应力历时曲线见图4，温度及应力包络图见图5。
对比图3和图5可以看出，夏季浇筑的混凝土内部温度峰值大幅降低，大部分区域的混凝土拉应力状态均得到明显改善，抗裂安全性大大提高。
5结论
（1）从应力历时曲线看，混凝土开裂可能性较大的时刻（混凝土所承受的拉应力超过其即时允许应力），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。
（3）通过计算和分析发现，工况2中所提出的温控方案，基本满足本工程中混凝土抗裂安全系数达到1.8的要求，结构的抗裂安全得到保障。 参考文献（References）：
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