峡江水利枢纽厂房底板裂缝成因有限元分析

胡 强，万迪文

(1.南昌市水利规划设计院，南昌330009;2.江西省峡江水利枢纽工程管理局，南昌330046)

大体积混凝土基础底板裂缝的影响因素很多［1］，包括温差，材料的弹性模量，混凝土的极限抗拉强度，板厚，结构长度，混凝土的徐变，基础约束等。国内大都采用有限元模拟混凝土温度场，且实践证明仿真计算得出的温度变化规律与实测结果基本相符［2］。但施工期现场养护条件、气温变化、混凝土骨料温度、运输曝晒时间、水泥开始水化时间等实际情况，与仿真计算所施加的边界条件存在一定的差距。为有效分析工程建设期间各种裂缝产生的成因，某水利工程在施工期即进行了大坝安全监测工作，对坝基扬压力、坝基温度、基岩变形及混凝土内部温度进行了监测。结合大坝安全监测所得实测数据，对建筑物进行非线性有限元仿真计算将更加符合实际条件，对混凝土裂缝成因的分析将更加准确可靠。

1 工程概况

江西省峡江水利枢纽工程位于赣江中游峡江县上游峡谷河段，是一座以防洪、发电、航运为主，兼顾灌溉等综合利用的大(1)型I等水利枢纽工程。枢纽厂房段设计建基面高程6.5～11.50 m，建基岩体为微风化的炭质绢云千枚岩，饱和抗压强度30～40MPa，变形模量Eo=4.5～5 Gpa，岩体较坚硬完整。主厂房顺水流方向分为进口段、水轮发电机及出口段，顺水流方向长91.7 m，沿坝轴线宽211.80 m。厂房共装有9台机组，其中 2#～8#号机组宽22.7 m，1#、9#机组宽26.45 m［3］。

2 厂房底板混凝土裂缝

主厂房4#机组中心高程22.8 m以下实际施工分层分块浇筑图如图1所示，阴影所示为已浇筑混凝土。其中1号仓面于7月20—21日浇筑，后经检查发现4-1号裂缝。2号仓面于8月4—6日浇筑，后经检查发现4—2、4—3、4—4号裂缝。3号仓面于7月24日浇筑。裂缝分布图见图3。

图1 机组中心高程以下实际施工分层分块浇筑图

3 大坝安全监测数据

工程在施工期即进行了大坝安全监测工作，监测仪器设备安装和埋设完毕后定期记录读数。坝基温度经观测，高程9.25 m处岩基温度为25℃ ～27℃，高程10.55 m处岩基温度为26℃～28℃。坝基扬压力经观测，高程9.25 m处坝基扬压力为17.51～40.41 KPa，高程10.55 m处坝基扬压力为28.86～36.39 KPa。基岩变形经观测，高程9.25 m处基岩变形为0.93～1.11 mm，高程10.55 m处基岩变形为0.91～1.20 mm。混凝土浇筑及凝固过程中内部实际温度观测结果见表1。

表1 混凝土温度计观测结果

4 计算模型和参数

4.1 计算模型

本文对4#机组已浇筑的1～4号仓面及坝基建立有限元模型，三维有限元计算模型见图2。4#机组有限元模型沿坝轴线宽度22.7 m，沿水流方向至坝横0+047.2后浇带位置。

混凝土底板采用能够模拟混凝土开裂和压碎性质的SOLID65六面体单元来模拟，岩基采用SOLID45六面体单元来模拟，钢筋与混凝土的联结方式采用整体式模型［4］。图中X轴正方向指向上游，Y轴正方向为铅直向上，Z轴正方向水平指向右岸。由大坝安全监测基岩变形观测数据可知，底板混凝土与岩基接触状况良好，岩基属于强约束区。故对底板混凝土与岩基接触面施加两向约束，即X、Z向约束。对底板混凝土垂直面施加对称约束。底板混凝土网格划分单元尺寸为0.15 m，使其等于混凝土试块尺寸。岩基网格划分单元尺寸为0.5 m。

图2 三维有限元计算模型

4.2 主要计算参数

本文采用大型通用有限元程序ANSYS进行计算。混凝土受压本构关系采用多折线随动强化模型来定义，其本构关系的具体数学模型为:

根据本工程实际结构形式及受力情况，混凝土强度准则采用William-Warnker五参数强度准则，考虑水平力较小情况的张开裂缝剪切传递系数、闭合裂缝剪切传递系数、抗拉强度可分别定为 0.7，1，1.78 × 106Pa［5］。厂房底板混凝土等级为C25，由规范取弹性模量为2×1010Pa，泊松比为0.167，极限抗拉强度为1.78×106Pa。混凝土主要热力学性能指标由有关资料取温度线膨胀系数为 1×10-5，密度为2 400 kg/m3，导热系数为 10.2KJ/(m·h·℃)，比热为0.95KJ/(kg·℃)［6］。

考虑混凝土的干缩变形和自生体积变形，两者拟合公式为［7］:

式中:t为时间;τ为加载龄期;C1为可恢复徐变，C1=0.23/E0;C2为不可恢复徐变，C2=0.52/E0;E0为混凝土最终弹模，E0=1.05E。

根据施工期大坝安全监测实测数据，1号仓面坝基温度取26℃，坝基扬压力取31 KPa，混凝土内部温度取最不利工况值43.45℃;2号仓面坝基温度取25℃，坝基扬压力取38 KPa，混凝土内部温度取最不利工况值50.05℃;3号仓面混凝土内部温度取7 d后温度39.7℃。由基岩变形观测数据可知，底板混凝土与岩基接触状况良好，岩基属于强约束区。据气象资料，1号仓面当天早晚气温22.8℃ ～31.7℃，浇筑时的气温27℃ ～33℃。2号仓面当天早晚气温29℃ ～39℃，浇筑时的气温29℃ ～33℃。

5 施工期仿真计算

4-1号裂缝所在1号仓面施工期非线性有限元计算结果见图4。4-2、4-3、4-4号裂缝所在2号仓面施工期非线性有限元计算结果见图5。

图3 4#机组实际裂缝分布图

图4 1号仓面施工期主应力分布图

图5 2号仓面施工期主应力分布图

由1号仓面施工期主应力分布图可知，该仓面上表面主应力顺河流方向在中部呈条状分布，数值为0.97～1.37 MPa，局部可达到1.58～1.79 MPa。混凝土底板下表面主要产生压应力，底板两端压应力为3.27 KPa。这是因为底板上表面通过与空气进行热交换降温较快，下表面通过岩基向下传热较慢，且受岩基约束，故底板下表面产生了压应力。将1号仓面裂缝实际分布图与仿真计算主应力分布图进行对比可知，仿真计算中较大主应力的分布走向与4-1裂缝实际分布走向基本相似。

由2号仓面施工期主应力分布图可知，该仓面上表面主应力顺河流方向在中部呈条状分布，数值为1.01～1.21 MPa。因2号仓面底部一半位于基岩，一半位于3号仓面上部，且3号仓面与2号仓面浇筑间隔时间为10 d，两个仓面水化热与弹性模量的差异对接触部位会产生一定影响。由2号仓面主应力分布图可知，与3号仓面接触部位的上表面拉应力局部可达到1.63～1.7 MPa，接触面拉应力局部可达到1.63～1.8 MPa。将2号仓面裂缝实际分布图与仿真计算主应力分布图进行对比可知，仿真计算中较大主应力的分布走向与4-2、4-3、4-4裂缝实际分布走向基本相似。

6 裂缝成因分析

根据峡江水利枢纽厂房底板混凝土非线性有限元计算结果与4-1、4-2、4-3、4-4号裂缝实际分布的对比，底板出现裂缝的主要原因分析如下:

1)基础约束的影响:厂房底板浇筑层钢筋均布置在浇筑块周边及底部范围，而混凝土裂缝基本出现在浇筑层中部的表面。根据已浇混凝土裂缝实际出现的时间、性状，以及1、2号仓面仿真计算中主应力顺河流方向的走向分布，可推断4-1、4-2号裂缝是受基岩约束，不能满足新浇混凝土的收缩变形所致。

2)温度应力的影响:本工程混凝土使用普通硅酸盐水泥为江西南方P.O42.5，早期强度大(3 d强度达到25Mp)，早期水化热大且绝热温升快(40 h左右即可达到50℃)。由于底板混凝土浇筑时正处于昼夜温差较大的季节(昼夜温差在10℃左右)，在夜间温度较低、混凝土内部温度很高的情况下，易使混凝土表面出现拉应力。由裂缝实际分布及1、2号仓面仿真计算结果知，底板上表面的温差过大导致了裂缝的产生。

3)上下层混凝土浇筑间隔时间的影响:如果间隔时间过长，下一层的强度高、弹模大、变形及应力松弛小，而上层新浇混凝土强度低、弹模小、变形及应力松弛大，上层新浇混凝土容易产生裂缝。由4-3、4-4号裂缝实际分布与仿真计算成果知，上下层混凝土浇筑间隔时间过长导致了裂缝产生。

由此可判断4-1、4-2号裂缝成因主要是受基础约束和温度应力的影响，4-3、4-4号裂缝成因主要是受温度应力和上下层混凝土浇筑间隔时间的影响。

［1］王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.中国建筑工业出版社，1997.

［2］于卫红，王文胜.大体积混凝土底板施工的综合防裂技术［J］.南京师范大学学报(工程技术版)，2005，5(3).

［3］江西省水利规划设计院.峡江水利枢纽初步设计研究报告［R］.江西省水利规划设计院，2010.

［4］徐镇凯，万迪文.闸墩裂缝成因的非线性有限元法分析［J］.南昌大学学报(工科版)，2008(3):263-267.

［5］江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析［M］.西安:陕西科学技术出版社，1994.

［6］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京:中国电力出版社，1999.

［7］黄国兴，惠荣炎.混凝土的收缩［M］.北京:中国铁道出版社，1990.