地下变电站温度裂缝发展分析与控制

毛建勤 任 辰， 姜 波 徐 永 徐意智，*

(1．上海电力设计院有限公司，上海200025;2．同济大学地下建筑与工程系，上海200092)

1 引言

地下变电站作为一种特种结构，建造在高地下水位地区时，裂缝控制不当引起的渗水会影响其使用功能。由于地下环境、边界约束条件以及地下基坑开挖与结构施工过程的复杂性，温度裂缝的形成不同于地面结构［1-7］，研究其温度裂缝的空间分布与随时间发展规律十分必要。

本文以上海济南路220 kV地下变电站剪力墙结构为例，使用MIDAS/GEN软件模拟地下变电站的施工过程，通过水化热与裂缝指数分析功能，重点分析地下剪力墙结构的墙体、楼板和地基底板中温度裂缝主要发生的位置以及在整个施工过程中裂缝随工况演变的规律，并对不同位置和不同发展程度的裂缝给出了具体的施工控制措施，以保证地下变电站的正常使用。

2 工程实例

2．1 工程概况及计算模型

220 kV济南路变电站地面结构一层，地下结构三层。

变电站基坑开挖深度达到19．0 m，地下连续墙成槽深度为37．0 m，为一级基坑。基坑采用地下连续墙和现浇混凝土内衬复合墙结构，采用顺作法施工。地下连续墙厚1 000 mm，内衬厚度800 mm，内部纵横墙体为钢筋混凝土结构，厚500 mm;顶板厚600 mm，楼板厚400 mm，底板厚度为1．70 m。其平面图、立面图如图1、图2所示。

图1 220 kV济南变电站平面图Fig．1 220 kV Jinan substation plan

图2 220 kV济南变电站立面图Fig．2 220 kV Jinan substation vertical plan

通过MIDAS的水化热参数化分析功能，实现温度裂缝在不同工况下的分析，建立的数值计算模型如图3所示，单元均采用MIDAS/GEN中的实体单元。

图3 济南变电站主体结构与地基基础计算模型Fig．3 Jinan substation main structure and foundation calculation model

2．2 计算参数定义

材料物理与热力学参数的选取参考现场数据与MIDAS使用手册［8］上的建议值。

1)材料参数

混凝土:C30;比热:0．25 kcal/(kg·℃);热传导率:2．3 kcal/(m·h·℃);

地基:弹性模量:1 ×106MPa;泊松比:0．2;线膨胀系数:1 ×10－5/℃;比热:0．2 kcal/(kg·℃);热传导率:1．7 kcal/(m·h·℃)。

2)约束边界、对流边界条件

基础底部与侧面、地下连续墙外侧为固定边界;楼板结构在施工过程中下表面受竖向支撑。

结构自由面、结构与岩土接触面为对应的地下环境温度;结构与模板之间为对流边界;后续工况新建的结构单元改变前一工况中结构的边界条件。

3)环境温度

环境温度取工程地下实测温度。

4)对流系数定义

对流参数的取值见表1。

表1 对流系数计算参数Table 1 Convection coefficient

5)混凝土热源函数系数

最大绝热温升:41℃，导温系数:0．759 m2/s。

2．3 计算工况定义

计算所用到的工况及相关计算参数如表2所示。

2．4 温度裂缝定义

MIDAS软件中定义温度裂缝指数I值(拉应力比)预测是否发生裂缝。该软件定义:I=混凝土抗拉强度/温度应力［8］，当 I小于1．2 时，有害裂缝产生。数值计算的云图中裂缝以深蓝色区域显示。

表2 工况参数Table 2 Working condition parameters

3 温度裂缝数值分析

3．1 剪力墙结构温度裂缝分析

以变电站地下3层剪力墙结构作为分析对象，浇筑时间为工况2初始，分析其在工况2、工况3、工况4中温度裂缝分布与发展。

地下3层结构的温度场峰值温度变化如图4、图5所示。

图4 600 h时地下3层结构的温度场Fig．4 Temperature field of B3 structure at 600 h

图5 地下3层结构温度峰值随时间变化Fig．5 Change of peak temperature over time

温度峰值出现的时间在浇筑后的1～3 d，数值为44．92℃，位于地下3层的结构的内衬墙中(节点123 252)，持续约2 d，之后开始降温，降温速率为0．5～4℃/d，第3天降温速率达到最大，而后随时间推移而减缓，后续工况中温度变化很小。

在温度裂缝数值分析结果中，蓝色区域为裂缝发生的主要区域，裂缝分布如图6、图7所示。

裂缝产生的位置，纵横墙交汇处附近的门洞处，有害裂缝在浇筑后的一天内形成，在第2天裂缝开始闭合并逐渐缩小，门洞的存在减少了约束作用产生的裂缝。

图6 836 h时地下3层结构裂缝指数空间分布Fig．6 Cracking index distribution of B3 structure at 836 h

图7 地下3层关键节点处裂缝指数随时间变化Fig．7 Cracking index change of main nodes over time

纵横墙与楼板交汇处，裂缝发展趋势近似，在浇筑后的3天内裂缝指数均为20，未产生裂缝(交汇处1节点接近温度峰值所在位置，在温度峰值持续的第1～3天内，由于前期与周围单元温差较大，裂缝指数有先下降后上升的波动)，在3～4 d内快速形成裂缝，在第4天末形成有害裂缝，而后裂缝指数趋于固定值0．6。

两面内衬墙与楼板的交汇处，其裂缝发展的趋势与前3者接近，裂缝的形成较晚，发生在工况2的第9天，裂缝指数最终收敛于1。

后续工况的影响:主要开裂部位，在工况3、工况4下的裂缝指数发展如图8所示。从图中可见，与上层楼板接触的节点，在工况3初始由于表面与楼板产生的热源接触，这些节点裂缝有轻微的闭合而后继续开裂。所有节点在后续工况3后期与工况4中裂缝指数变化很小。

以地下2层结构在工况3、工况4阶段不同约束位置的裂缝发展情况研究温度裂缝受剪力墙、内衬墙约束的影响。

在图9中，左图中为剪力墙开裂的主要位置，右图为内衬墙开裂主要位置，裂缝指数随时间发展如图10所示。

图8 地下3层裂缝位置节点裂缝指数后续工况中的变化Fig．8 Cracking index of B3 structure in subsequent working conditions

图9 工况3地下2层结构温度裂缝出现位置示意图Fig．9 Temperature crack location of B2 structure at working condition 3

图10 地下2层结构裂缝位置节点温度随时间变化曲线Fig．10 Temperature change of cracking nodes in B2 structure over time

受间距15 m横墙约束的节点，裂缝随时间的发展十分相似，在工况3的第2天产生拉应力，并于第3天迅速产生有害裂缝，裂缝指数保持在0．5，并持续到工况3结束。

受间距5 m横墙约束的节点，在第2天产生拉应力，有害裂缝形成时间略晚于前者，在第6天形成裂缝，裂缝指数保持在0．9，并持续到工况3结束。

横墙与内衬墙的交汇处，接近温度峰值处，在第3天产生拉应力，并于第7天产生有害裂缝。

角部内衬墙与内衬墙的交汇处，在第4天产生拉应力，并于第8天产生有害裂缝。

工况4中上述节点的上方施工楼板，产生新热源，但由于楼板产生热源较少，这些节点的裂缝指数在工况4下变化很小。由于横墙间距5 m的节点受到的约束作用大于横墙间距15 m的节点，受间距为15 m的横墙约束的裂缝，在工况4的第1～2天内裂缝有闭合的趋势，但在后续的2～14天裂缝再次发展，又恢复到工况3末期的水平;受间距为5 m的横墙约束的裂缝，在第1～2天内裂缝有加速开裂的趋势，在后续的2～14 d裂缝有轻微的闭合，与上述的5个节点规律相反。位于内衬墙的节点，裂缝指数变化不明显。

3．2 楼板温度裂缝分析

以第3层结构的顶板作为研究对象，浇筑时间为工况2初始。其温度场变化如图11、图12所示，温度峰值变化如图13所示。

图11 510 h时地下3层楼板温度场Fig．11 Temperature field of B3 slab at 510 h

图12 846 h地下3层楼板温度场Fig．12 Temperature field of B3 slab on 846 h

图13 地下3层楼板温度峰值处温度随时间变化Fig．13 Temperature change of extreme node in B3 slab over time

温度峰值出现在内衬墙与楼板的交汇处，为44．85℃，出现在浇筑后的第1天。楼板顶面与空气对流，底面与模板对流，顶面的温度下降快，温度比底面低，差值达到6℃，温差最终减小至1℃以内。

在工况3下受上部热源的作用，温度峰值达到33．07℃，出现在浇筑2层结构的第2天，随后开始降温，降温速率由初始的1．44℃/d不断减缓，在第10天温度降为环境温度。

3层楼板顶面与底面在与剪力墙接触处，顶面与底面的温差控制在10℃以内，在第2天达到峰值后，温差随时间减缓，其他位置顶面与底面的温差在1℃以内。工况4下远离热源，温度基本不变。

楼板顶面与底面的裂缝如图14、图15所示。

图14 836 h时3层楼板顶面裂缝分布Fig．14 Cracking location on top surface of B3 slab at 836 h

图15 836 h时3层楼板底面裂缝分布Fig．15 Cracking location on back surface of B3 slab at 836 h

楼板的裂缝区位置位于纵横墙与之的交汇处，与剪力墙的裂缝产生的时间与区域位置对应，这些位置受到了较大的约束作用而产生裂缝。楼板底面的单元因为与剪力墙直接接触而约束作用大于顶面，裂缝的扩展区域也大于楼板顶面单元。

在工况3下地下3层楼板裂缝发展分布如图16、图17所示。裂缝的主要发展区域在上述5处较为明显，集中在楼板与剪力墙的交汇处(图17)，其裂缝指数随时间发展如图18所示。

在工况3开始阶段，这5个区域部分单元的裂缝闭合，但随着第2层结构水化热的发展与剪力墙的约束作用，这些区域的裂缝轻微闭合后在第3天再次扩展，裂缝指数始终小于1．2，产生有害裂缝。在后续工况中裂缝变化很小。

图16 936 h时地下3层楼板底面裂缝分布Fig．16 Cracking location on back surface of B3 slab at 936 h

图17 1 172 h地下3层楼板裂缝主要发展区域示意图Fig．17 Cracking location on back surface of B3 slab on 1 172 h

图18 3层楼板裂缝处节点裂缝指数随时间变化Fig．18 Temperature change of cracking nodes in B3 slab over time

3．3 基础底板温度裂缝分析

地下变电站基础底板属于大体积混凝土，浇筑在工况1完成，在后续工况其上浇筑剪力墙结构。计算工况不同时刻基础的温度与裂缝发展。

地基与基础的温度如图19、图20所示。

图19 100 h时的地基与基础温度场Fig．19 Temperature field of foundation at 100 h

图20 836 h时地基与基础温度场Fig．20 Temperature field of foundation at 836 h

基础大底板混凝土温度峰值出现的时间在2～4天，数值为52．94℃，之后开始降温，速率为0．5～2．0℃/d，速率随时间推移而减缓，工况1结束时间500 h处混凝土内部温度为33．80℃。

最初温度最值发生在基础平面距离角部5 m处，研究该处混凝土内外温度，基础顶面、基础的厚度中心以及基础与地基接触点的温度随时间变化如图21所示。

图21 基础角部5 m处不同厚度位置的温度变化Fig．21 Temperature change of foundation at different depth at 5 m off edge

最终温度最值位于基础中心，研究该处混凝土内外温度，基础顶面、基础的厚度中心以及基础与地基接触点的温度随时间变化如图22所示。

图22 基础中心不同厚度位置的温度变化Fig．22 Temperature change in center of foundation at different depth

工况1中基础的内外温差控制在25℃以内，满足大体积混凝土的设计要求。温差的峰值出现在基础浇筑完成的3～5 d之间，然后逐渐减小，500 h温差控制在12℃左右，内外温差在工况2下进一步减小，降至6．5℃。

研究基础在工况1—工况4中的温度裂缝发展，分布如图23—图27所示。

图23 10 h时基础裂缝指数空间分布Fig．23 Cracking location of foundation at 10 h

图24 100 h时基础裂缝指数空间分布Fig．24 Cracking location of foundation at 100 h

图25 500 h时基础裂缝指数空间分布Fig．25 Cracking location of foundation at 500 h

图26 836 h时基础裂缝指数空间分布Fig．26 Cracking location of foundation at 836 h

图27 1 182 h地基与基础裂缝发展分布Fig．27 Cracking location of foundation at 1 182 h

研究基础角部与基础平面中心不同厚度位置的裂缝指数发展，如图28、图29所示。

图28 基础角部不同厚度位置裂缝指数变化Fig．28 Cracking index change in edge of foundation at different depth

图29 基础中心处不同厚度位置裂缝指数变化Fig．29 Cracking index change in center of foundation at different depth

在基础表面中心和角部，由于约束条件的不同，在基础的表面、内部和地基接触点的裂缝指数发展趋势有较大区别，表面中心处的单元受周围相邻单元的约束，角部单元受地连墙的约束。

基础角部:基础表面单元的裂缝指数在最初的1周内保持不变，在1周至2周时间区间产生拉应力而快速降低，后续下降的速度稍缓。基础厚度中心，裂缝指数在最初的10 d内保持不变，而后产生拉应力快速降低。基础表面与内部在整个工况1中不会产生有害裂缝，但有产生裂缝的趋势，在工况2、工况3、工况4中仍未产生裂缝。基础和地基的接触单元在工况1末期产生裂缝，并在后续工况中缓慢扩张。

基础平面中心:基础表面单元的裂缝指数由于拉应力的产生在1天内快速上升，而后趋慢。基础厚度的中心，在第10～15天拉应力产生，裂缝指数快速下降，有害裂缝未形成，但有产生的趋势。工况2下基础内部的单元进一步开裂，在第5天形成零星数处的有害裂缝;工况3下的基础中心裂缝指数缓慢下降，中心单元裂缝缓慢扩展。工况4中内部裂缝指数持续降低，降幅为0．4，部分有害裂缝扩张并贯通。

工况2施工的地下3层结构，基础受到上部墙体的约束。图30中节点为地下3层的墙与基础的交汇处，左图中的节点受到了纵墙的约束，右图中的节点同时受到上方纵、横墙的约束，其裂缝指数的发展随时间变化如图31所示。

图30 基础裂缝位置示意图Fig．30 Cracking location in foundation

图31 墙、基础节点裂缝指数随时间变化曲线Fig．31 Cracking index change in junction of walls and foundation over time

在工况2的最初1天内，由于浇筑剪力墙使交汇处基础内外温差减小，两处裂缝经过轻微闭合，而后由于剪力墙约束作用使裂缝扩张，并在工况2的第15天产生有害裂缝。在后续工况3中裂缝指数缓慢下降，裂缝范围扩大，工况4初始表面裂缝连通。

4 温度裂缝控制

针对不同位置、发展程度的温度裂缝以及结构的重要性，采取不同的措施，保证地下变电站的安全性与可靠性。

(1)对于剪力墙结构，裂缝主要集中在结构剪力墙纵横墙与楼板的交汇处，在设计上宜调整抗裂钢筋缝布置，并加入水平分布钢筋。在纵横剪力墙与楼板交汇处，由于三者的约束作用明显，裂缝容易产生，应设计加入构造钢筋。

对于剪力墙小于0．2 mm的裂缝宜采取浆液表面涂刷封闭;对大于0．2 mm裂缝以及在纵横墙交汇，内衬墙与剪力墙交汇处的裂缝，宜采用浆液灌注封闭。

(2)内衬墙处的有害裂缝对变电站的防水是不利的，裂缝产生在内衬墙与楼板的交汇处。内衬墙与连续墙交接处的裂缝在形成后，在第二周有轻微闭合继而再次开裂。对于内衬墙的加固，宜加入一定数量的水平分布钢筋，提高混凝土的极限拉伸，限制裂缝扩展;对于内衬墙上的裂缝宜采用浆液灌注封闭。

(3)楼板易产生裂缝的部位是与纵横墙接触受约束处，在后续工况中，这些裂缝区域出现先闭合后扩展的趋势，裂缝的修补可结合剪力墙的修补一并完成。

4)基础在浇筑完的第25天基础内部开始产生零星数处有害裂缝而后内部部分裂缝连通。基础表面有害裂缝在第35天才形成于基础与墙体的接触处。基础底板应按照大体积混凝土的要求优化材料配合比，减小水泥水化热的产生;在施工中宜分层分段浇筑，并及时养护，减少内外温差产生的温度裂缝。由于温度应力与收缩产生的内部裂缝与表面裂缝宜采用灌浆等措施进行封闭。

5 结论

本文通过数值分析，研究地下变电站剪力墙结构各个构件的温度裂缝发展，得到如下结论:

(1)变电站楼层结构中，裂缝主要发生在结构剪力墙纵横墙与楼板的交汇处，剪力墙、内衬墙与楼板三者的交汇处，最初裂缝为零星数处，然后逐渐向楼板以下的单元扩展。

(2)内衬墙、剪力墙与楼板在浇筑后的一周后，裂缝开始形成。发展过程中，间距为15 m的横墙与楼板交汇处的裂缝出现的较早。裂缝指数在该工况的一周后变化最大，在最初的一周内由于拉应力产生而迅速下降，在两周时间内基本小于1，并趋于稳定。在后续工况中变化较小，即后续工况对前工况中的裂缝发展影响较小。

(3)对于剪力墙，间距15 m的横墙约束产生的裂缝，在后续工况下有轻微的先闭合再开裂的趋势;间距5 m的横墙约束产生的裂缝，在后续工况下有明显的开裂。间距5 m的横墙裂缝指数均大于间距15 m的横墙裂缝，即横墙间距越短，所受的约束作用越大，裂缝越容易形成。若剪力墙位置可以做调整，适当增加纵横墙的间距则有利于减少控制裂缝的产生。

(4)剪力墙上开启的门洞减少了横墙与纵墙的约束，裂缝的发生机率较小，在一些剪力墙上部分已经发生的裂缝闭合。

(5)楼板易产生裂缝的部位是与纵横墙接触受约束处，裂缝指数在本工况中由于拉应力的迅速发展而快速下降，在该工况末趋于稳定。

(6)楼板结构由于各构件体积较小，温度在该浇筑工况下降温迅速，在工况末趋于环境温度。在下一工况下，各构件强度能达到75%，且温度变化很小，是否拆除模板对温度裂缝的发展影响较小。

(7)变电站的基础属于大体积混凝土，内外温差始终控制在25℃以内。温差的峰值出现在基础浇筑完成的第3～4天之间，之后温差随着时间的推移逐渐减小。

(8)基础单元在基础浇筑完的前20 d内未产生裂缝，在第25天基础单元内部开始产生零星数处有害裂缝，第37天部分内部裂缝连通，第50天较多的内部裂缝连通。基础表面有害裂缝在第35天才形成，形成位置为基础与墙体的接触处，在第50天基础表面裂缝连通。

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