地下厂房岩锚梁温控仿真计算

王国强,焦石磊

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)



地下厂房岩锚梁温控仿真计算

王国强,焦石磊

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)

根据某蓄能电站地下厂房岩锚梁具体实例,基于Ansys三维仿真软件对岩锚梁砼温度及温度应力进行仿真计算。计算结果表明,岩锚梁混凝土在一定的温控措施下施工,可有效降低砼内部最高温度,同时达到降低温度应力的目的。文中三维有限元温控计算中参数的选取、计算方法以及计算结果的分析,对工程有一定的指导意义,亦可为类似工程提供仿真参考。

岩锚梁；温度；温度应力；仿真计算

1 概述

岩锚梁又称岩壁吊车梁,与普通的现浇梁相比,不设立柱,充分利用围岩的承载能力,与其他结构梁相比,能缩窄地下厂房的跨度,减少工程量,降低工程造价,此外岩锚梁的提前施工又为下一步的施工创造了十分有利的条件,可缩短整个主厂房的工期,因此经济效益极为显著。鉴于岩锚梁的重要性,大体积岩锚梁混凝土的施工质量就显得尤为重要。考虑到电站地下厂房跨度较大,桥机轮压大,为了避免混凝土施工时产生裂缝,对厂房后期运行埋下安全隐患,施工中必须采取严格有效的温控措施。国内对岩锚梁施工及温控已有一些研究成果[2-5],据统计,已经完工的岩锚梁,绝大多数的梁体均出现不同程度的垂直于梁长方面的横向裂缝。对此有必要进行有限元仿真计算,找到温度及温度应力变化规律,以防止危害性裂缝的产生。

2 基本资料

2.1 工程概况

某蓄能电站地下厂房开挖尺寸为439 m×31 m×75 m(长×宽×高),厂房内安装2台10 000 kN单小车桥式起重机,最大轮压1 100 kN。地下厂房围岩为玄武岩,围岩分类以Ⅱ类、Ⅲ1类为主。主厂房吊车梁采用岩锚梁结构型式,岩锚梁顶宽2.6 m,高3.0 m,左岸岩锚梁长384 m,右岸岩锚梁长387 m,在主机间与安装间之间以及每个机组段设一永久结构缝,岩锚梁壁座角为34°。由于锚杆及锚索对岩锚梁砼温度及温度应力仿真计算结果基本无影响,因此文中建模及计算过程未考虑锚杆及锚索。

2.2 基本资料及计算条件

温控研究首先需建立对应模型,然后根据有关边界条件及参数(主要包括空气温度,地温,混凝土的力学、热学和变形性能指标,围岩的力学、热学及变形性能指标等),设定计算条件,在进行仿真计算。

1) 计算模型

计算时选取具有代表性的10 m的结构段,岩锚梁横断面结构图见图1。

图1 岩锚梁中央断面剖面示意(锚杆及钢筋未示)

岩锚梁三维有限元模型和局部网格见图2。规定沿洞轴线往洞外为Z轴正向,垂直岩锚梁外表面为X轴正向,铅直向上为Y轴正向。取围岩厚度取 10 m,围岩和岩锚梁结构采用空间八结点等参单元,单元类型为Solid70(应力场计算中采用Solid45等效结构单元代替),共划分三维块体单元5 560个。

图2 岩锚梁混凝土有限元模型示意

2) 边界条件

围岩周边距离岩锚梁混凝土浇筑段较远处,给予绝热边界条件和全约束力学边界条件。模板在拆模前起法向约束作用；在温度场计算中需考虑拆模前后对混凝土表面的散热影响,拆模前是光滑钢表面与空气热对流边界条件,拆模后是光滑固体表面与空气热对流边界。在拆模后用洒水养护时,有洒水养护的表面成为混凝土表面与流水热对流边界,这些边界均属于第三类热学边界条件[1]。

3) 环境空气温度

地下厂房温度较为恒定,夏季最高温度28 ℃；冬季最低温度24 ℃。并采用余弦函数曲线模拟气温年周期性变化,表达式为：

(1)

式中 Ta为环境气温；A为多年平均气温；B为气温年变幅。取A=24 ℃,气温年变幅为B=3 ℃,最高气温日期距离1月1日的天数为C=210d。

4) 地温

地温的分布较为稳定均匀,一般地表附近接近月平均气温,地下厂房在地下的埋深较深,围岩初温取为多年平均气温：夏季为28 ℃,冬季为24 ℃。

5) 混凝土的热力学参数

地下厂房岩锚梁混凝土热、力学参数如表1及表2所示。

表1 岩锚梁混凝土热学性能参数

表2 岩锚梁混凝土力学性能参数

6) 混凝土徐变参数

根据徐变实验数据,混凝土徐变采用函数表达式为：

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

(2)

式中 τ为龄期,d；t～τ为持荷时间,d；a0、b0、c0、a1、b1、c1、a2、b2为公式系数。

根据弹模试验数据,弹模拟合公式的函数表达式为：

E(τ)=a×104×(1-e-bτc)

(3)

式中 τ为龄期,d； a、b、c为公式系数。

7) 围岩的热学与力学参数

地下厂房岩锚梁围岩热力学参数值,见表3。

表3 岩锚梁围岩热力学性能指标

8) 抗裂安全系数的计算

抗裂安全系数的计算公式为:

(4)

地下工程混凝土施工期温度应力的抗裂安全系数最小值,目前水利水电方面的有关规范还没有明确的规定。最新混凝土重力坝设计规范(SL319—2005)规定大坝的抗裂安全系数按1.5～2.0取值,考虑到地下工程的等级一般低于拦河大坝,其允许抗裂安全系数按小值取为1.5。

3 温控计算分析

以10m结构段为研究对象,模拟实际施工过程,分析岩锚梁混凝土在夏季高温期间施工的温度场和温度应力场的分布特点及变化规律。计算的基本方案条件为：自7月1日开始浇筑,开浇时空气温度为一年中最高温度,混凝土采取加冰拌合措施后的浇筑温度为26 ℃,采用分段跳仓,泵送砼入仓,开浇后7d拆模,浇筑混凝土表面洒水养护28d,围岩初温取为28 ℃。

3.1 温度场分析

研究表明,岩锚梁最高温度一般出现在10m浇筑段的中间断面,且浇筑段的中间断面是最易出现裂缝的危险断面。因此,本文着重分析中间断面的温度场和应力场。

计算表明,从开浇时起,岩锚梁混凝土温度场一般经历了水化热温升、温降、随环境气温周期变化3个阶段。在水化热温升阶段,沿厂房轴线方向岩锚锚梁梁中央断面温度场最高,现分3个阶段描述和分析实际浇筑方案条件下温度场变化基本规律,详见表4,表面点及内部点温度历时曲线见图3。

表4 中央断面代表点最高温度及出现龄期

图3 中央断面代表点温度历时曲线

温升阶段：浇筑后,岩锚梁温度场迅速升高,岩锚梁内部混凝土温升速度最快,温度峰值最高；开浇后4d左右,岩锚梁Z=-5m断面的表面点最高温度为34.55 ℃,最大温升7.55 ℃,出现于混凝土侧表面；开浇后6d左右,中央部位出现最高温度44.44 ℃,最大温升17.44 ℃。

温降阶段：混凝土温度达到最大峰值后,即进入温降阶段。岩锚梁表面最高温度达34.55 ℃,与环境温度温差较大,但表面散热快,温降明显较快。由于混凝土体积较大,岩锚梁内部温降速率相对要慢些。计算结果显示,在拆模后10d左右,表面温度逐渐由最高温度降低到接近空气温度,在20d后,由于水化热绝大部分已释放出来,整个岩锚梁温度场开始比较均匀下降,内部与表面同步温降温差在7 ℃以内,内部点温降明显较慢,且从龄期6d至龄期220d左右,内部点一直处于缓慢温降的过程,在龄期220d以后,岩锚梁表面达到最低温度约25 ℃,此时,岩锚梁内部点温度为25.40 ℃,基本趋于稳定。

随环境气温周期性变化阶段。浇筑约1个月后,岩锚梁表面温度已基本趋同于洞内气温,开始随气温作周期性(年变化)。洒水结束时表面点温度降低至26.65 ℃,温降7.9 ℃,已低于空气温度。岩锚梁内部点的温度则在220d龄期之后才表现出随环境温度周期变化的规律,且是滞后厂房内空气温的周期性变化。

从特征龄期的温度等值线图可以更清晰地看出中央断面处的温度场分布情况及其随龄期的发展过程,见图4～7。

图4 中央断面第3 d龄期温度等值线示意

图5 中央断面第7 d龄期温度等值线示意

图6 中央断面第28 d龄期温度等值线示意

图7 中央断面第220 d龄期温度等值线示意

3.2 应力场分析

根据计算分析,各部位的应力一般经历了压应力增长、压应力减小、产生拉应力、拉应力缓慢增长、拉应力快速增长并达到最大值、拉应力再减小、而后进入随气温周期性变化这样一个过程。具体代表点主应力值列于表5,各代表点的第一主应力历时曲线见图8。

表5 中央断面表面点及内部点各代表龄期主应力值及抗裂安全系数

图8 中央断面中间点主应力历时曲线示意

温升阶段：梁内多表现为少许压应力,随着混凝土温度逐步下降和弹模的变化,受到岩体的约束和混凝土自身约束作用,内部温度拉应力逐渐增大。

温降阶段：在早期温降阶段,由于岩锚梁体积较大,中心部位温度较高且温降速度较慢,而表层混凝土散热快,迅速收缩,因而中央混凝土对表层产生相对约束作用使之首先出现拉应力。表面温度逐渐降到与空气温度相同,洒水结束时温度低于气温,随后表面点温度上升为空气温度,拉应力明显减小,表面点温度随气温周期变化的同时应力也周期性变化,但表面点应力较小,始终满足抗裂要求。由于岩锚梁体积较大,岩锚梁中央断面内部点温升幅度最大,随时间的进程,表层混凝土温度场相对下降缓慢,拉应力相对增长较慢,内部混凝土因先期的高温,温度仍在快速下降并受两侧混凝土的相对约束作用,拉应力逐渐增长,应力值显然大于表面混凝土。温降后期,温度场继续下降,整个梁体继续收缩,混凝土的主拉应力进一步增大,应力分布表现为中央点部位最大,表面点次之。其温度随气温降低过程中,温度一直下降,故拉应力也一直变大,直至250龄期时拉应力达到最大值2.06MPa,抗裂安全系数为1.55,满足抗裂要求。后期随气温升高,拉应力随后变小,呈周期性变化。

4 结语

以某蓄能电站厂房岩锚梁为例,计算得出并分析了岩锚梁在夏季施工后的温度场及温度应力场变化规律,类似工程中,均可采取文中方法进行有限元仿真计算,反推得到控制的入仓温度,进而采取相应的温控措施,如加冰拌合以降低入仓温度、预埋冷却水管进行通水冷却以降低内部砼最高温升,达到减小温度应力的作用。

[1] 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．

[2] 黄继华,孟凡国,胡亚林. 地下电站岩锚梁混凝土温控防裂[J].水电与抽水蓄能,2015(14)：19-20．

[3] 代绍华,陈芝焕. 三峡地下厂房岩锚梁“无裂缝混凝土”施工技术[J]. 云南水力发电, 2011, 27(4):83-86.

[4] 徐跃之,肖汉江,陕亮. 三峡电站地下厂房岩锚梁温度应力控制措施探讨[J]. 水利水电科技进展, 2008, 28(3):50-53.

[5] 雷文娟,段亚辉,李丹枫. 某水电站地下厂房岩锚梁混凝土温控优化研究[J]. 中国水运, 2013, 13(6):320-322.

(本文责任编辑 马克俊)

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

王国强(1981),男,本科,工程师,从事水利水电工程施工组织设计工作。

TV315

B

1008-0112(2016)06-0041-04