1、水電站廠房大體積混凝土溫度應力分析與防裂措施摘要：針對廠房混凝土構造施工期易開裂的問題，采用三維非穩定溫度場及應力場的有限元計算方法，對某水電站廠房下部大體積混凝土構造的施工全過程進展數值模擬，提醒其溫度場及應力場的開展過程和分布規律，并根據計算結果提出實在可行的溫控防裂措施。經分析發現，在低溫入倉的根底上，采取外表保溫和內部導熱降溫相結合的溫控防裂措施，可有效降低混凝土早期的內外溫差和后期的溫降幅度，從而進步廠房混凝土的抗裂平安性。關鍵詞：水電站廠房;大體積混凝土;有限元;溫度應力;溫控防裂中圖分類號：TU755文獻標志碼：A文章編號：Analysisofthermalstressesand

2、crackcontrolmeasuresinmassconcreteofhydropowerstationpowerhouse1.HuadongEngineeringCorporation，Hangzhou310014，China;3.SchoolofWaterResources，NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450045，ChinaAbstract：Theconcretestructureofhydropowerstationpowerhousecaneasilycrackduringthecons

3、tructionperiod.Inthispaper，three-dimensionalfiniteelementmethodwithunsteadytemperatureandstressfieldwasusedtosimulatethewholeconstructionprocessoftheunderpartconcretestructureofahydropowerstationpowerhouse.Thedevelopmentprocessanddistributionregularityofthetemperaturefieldandstressfieldwereobtained，

4、andthefeasibletemperaturecontrolandcrackpreventionmethodswereproposedaccordingtothecomputationresults.Theanalysisshowedthatonthebasisoflowtemperaturebeforeconcretepouring，temperaturecontrolandcrackpreventionmeasureswithsurfaceheatpreservationandinternalheatconductioncaneffectivelydecreasethetemperat

5、uredifferencebetweentheinternalandexternalearly-ageconcrete，andalsodecreasethetemperatureamplitudeoflater-ageconcrete，whichcanimprovethesafetyagainstcrackingofthepowerhouseconcrete.Keywords：hydropowerstationpowerhouse;massconcrete;finiteelementmethod;thermalstresses;temperaturecontrolandcrackprevent

6、ion水電站廠房下部是一個形狀復雜、體積龐大的大跨度厚壁空腔混凝土構造，受其自身和周圍介質溫度、濕度變化的影響，以及基巖的約束作用，往往在不同部位產生較大的溫度應力，進而導致混凝土產生裂縫。如不有效控制混凝土裂縫的產生，將破壞廠房下部構造的整體性，縮短其使用壽命，甚至改變其構造的受力狀態，影響建筑物平安。本文采用混凝土非穩定溫度場及應力場的有限元計算方法，根據混凝土材料熱力學性能試驗的研究成果，對某水電站廠房下部混凝土構造施工期的溫度場及應力場進展仿真計算分析，并基于分析成果提出實在可行的溫控防裂措施，進而有效控制混凝土溫度裂縫的產生，為水電站廠房下部構造混凝土的溫控設計和施工提供參考。1計算

7、原理及方法1.1非穩定溫度場計算原理及方法在混凝土計算域R內任意一點處，非穩定溫度場Tx，y，z，需滿足熱傳導方程：T=a2Tx2+2Ty2+2Tz2+1式中：T為溫度;a為導溫系數m2/h，為絕熱溫升;為時間h。溫度場有限元計算方法見文獻1。文獻1中給出了一套近似解法，即把冷卻水管看成負熱源，在平均意義上考慮水管冷卻效果，可得混凝土等效熱傳導方程：T=a2Tx2+2Ty2+2Tz2+T0-TW+02式中：T0為混凝土初溫;TW為冷卻水溫度;為考慮初始溫差影響的函數;為考慮混凝土絕熱溫升影響的函數。1.3應力場計算原理及方法混凝土在復雜應力狀態下的應變增量包括彈性應變增量、徐變應變增量、溫度應

8、變增量、干縮應變增量和自生體積應變增量，因此有 n=en+cn+Tn+Sn+0n3式中：en為彈性應變增量;cn為徐變應變增量;Tn為溫度應變增量;Sn為干縮應變增量;0n為自生體積應變增量。應力場有限元計算方法見文獻1。2計算模型和參數2.1計算模型2.2主要計算參數工程區多年月平均氣溫統計見表1。基巖和混凝土的主要熱力學計算參數見表2和表3。2.3邊界條件溫度場計算時，計算模型中地基底面及四周側面取為絕熱邊界，機組段的上下游面及其它臨空面為固體散熱邊界，根據多年平均風速和覆蓋的保溫材料賦予相應的外表放熱系數。應力場計算時，地基底面及四周側面取為法向約束，其它臨空面為自由邊界。3計算工況4計

9、算結果分析4.1工況1計算結果分析選取尾水管底板部位混凝土外表點和內部點作為特征點，繪制溫度及應力歷時曲線圖2;選取機組橫剖面作為典型剖面，繪制溫度及應力包絡圖圖3，圖中拉應力為正，壓應力為負，t為允許應力曲線，由極限拉伸強度除以平安系數為1.8獲得。對于澆筑初期的混凝土，表層混凝土的溫升幅度遠小于內部混凝土，從而產生較大的內外溫差?；炷烈惨虼水a生了相應的內外變形約束。此時，外外表混凝土處于相對收縮變形的狀態，而內部混凝土那么相反，處于相對體積膨脹的狀態，因此在外表相對受張拉的區域出現拉應力，而在構造內部相對受擠壓的區域就產生了壓應力。且當溫差足夠大時，混凝土外表的拉應力就可以到達甚至超過混

10、凝土的即時允許應力。如圖2中尾水管底板混凝土早期最大內外溫差到達12左右時，外表拉應力已超出即時允許應力，極易導致混凝土早期外表裂縫的產生，有必要采取溫控措施以降低早期混凝土過大的內外溫差?；炷翜囟鹊竭_峰值以后就開始下降，但外外表降溫幅度遠小于內部的降溫幅度，相對而言，此時內部混凝土的體積收縮變形大，而構造近外表區處于相對被壓縮的變形狀態。在溫度變形作用下，外表拉應力和內部壓應力逐漸減小。如圖2所示，隨著內部混凝土溫度的進一步降低，混凝土內部的應力有可能從壓應力轉化為拉應力，從而外表混凝土逐漸表現為受壓狀態。當這種變形過大時，內部拉應力甚至會超過混凝土的允許抗拉強度。假設不考慮由內外溫降幅度

11、不同而引起的混凝土自身的應力狀態變化，僅考慮受外界氣溫逐漸下降的影響夏季高溫階段到冬季寒冷時刻，尾水管底板混凝土構造相對與下部地基來說，處于溫降收縮變形狀態，受地基約束作用影響，混凝土內外都呈現出拉應力增長或壓應力減小趨勢，并在環境氣溫最低時到達極值。由圖3可以看出，在遭遇寒冷冬季時，夏季澆筑的尾水管底板混凝土，由于后期溫降較大，再加上受地基強約束作用，后期混凝土的內外拉應力均已超出允許應力，此時極易造成混凝土開裂。可見，有必要采取溫控措施以降低混凝土后期溫降幅度。4.2工況2計算結果分析計算得出工況2的溫度及應力歷時曲線見圖4，溫度及應力包絡圖見圖5。比照圖3和圖5可以看出，夏季澆筑的混凝土

12、內部溫度峰值大幅降低，大部分區域的混凝土拉應力狀態均得到明顯改善，抗裂平安性大大進步。5結論1從應力歷時曲線看，混凝土開裂可能性較大的時刻混凝土所承受的拉應力超過其即時允許應力，一是在新澆混凝土塊齡期較短時，二是在經歷冬季外界氣溫較低時。3通過計算和分析發現，工況2中所提出的溫控方案，根本滿足本工程中混凝土抗裂平安系數到達1.8的要求，構造的抗裂平安得到保障。 參考文獻References：1朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制M.北京：中國電力出版社，1998.ZHUBo-fang.ThermalstressesandtemperaturecontrolofmassconcreteM.Be

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