第!!卷第"期!##$年%月西北水力发电&’()*+,’-*’)./012./34)’1,15.)657’01)89:;!!<9;"================================================================>?@;!##$文章编号A"$B"C D B$E F!##$G#"C##"B C#D贯流式机组水电站厂房施工期及运行期温度应力场仿真分析王波"H陈尧隆"H唐誉兴!H魏忠元"F";西安理工大学水利水电学院H西安B"##D E I!;广西电力工业勘察设计研究院H南宁J%##!%G 摘要A在水电站厂房这样结构复杂的大型水工结构的温度应力计算中H大量的时间花费在前后处理程序的编制上K针对这种情况H提出了将大型通用有限元软件与温度应力计算主体程序两者相结合的方法H并成功地将其应用于某电站厂房的施工期及运行期温度应力场仿真分析中K关键词A贯流式机组厂房I施工期I运行期I温度应力I仿真分析中图分类号A L8%"J文献标识码A MN引言在大体积混凝土结构中H温度应力对结构的应力具有重要的影响H有时温度应力在数值上可能超过其他外荷载引起的应力而引起混凝土裂缝K因此H对大体积混凝土进行温度应力计算是一个非常重要的课题K在水工结构中此类计算主要体现在各种类型的混凝土大坝和水电站厂房结构中K相对于大坝而言H水电站厂房结构复杂H孔洞O 墩墙及大型框架结构多H且采用较多的分缝O分块和跳仓浇筑H为水电站厂房的温度应力计算带来了巨大的困难K在当前的温度应力场仿真计算程序中H要想在前处理中真实的模拟厂房结构的施工过程是非常困难的K针对这种情况H我们提出了将大型通用有限元分析软件与温度应力场仿真计算程序相结合的方法成功的解决了此问题H并对国内某水电站厂房依照实际的浇筑进度O跳仓方式O气象资料进行了施工期及运行期温度应力场仿真分析K P工程计算P;N基本原理P;N;N温度应力有限元计算公式弹性体内各点的变温为Q H其产生的自由变形为R Q H R为热膨胀系数H应变分量可表示为AS T U S V U S W U R QX T V U X V W U X W T U#即Y S#Z U R Q["H"H"H#H#H#\Q变温等效结点荷载为AY]Q Z^U_‘[a\Q[b\Y S#Z c T c V c W由变温等效结点荷载求得位移A[d\^Y e Z^U Y]Q Z^[d\^为单元刚度矩阵H则温度应力为AY f Z U[b\[a\Y e Z^g[b\Y e#ZP;N;P温度徐变应力有限元计算公式混凝土结构在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量H温度应变增量H徐变应变增量以收稿日期A!##J C#$C"E作者简介A王波F"h B h C G H男H陕西大荔人H西安理工大学在读硕士I陈尧隆F"h D J C G H男H湖南双峰县人H西安理工大学教授H博士生导师K及其他初应变增量!混凝土徐变采用比较精确的表达式"#$%&’()#*$’($*+,+-*$%+’((.#/$’($*+,+-/$%+’((假定在每时段0’内&应力呈线性变化&应力对时间的导数为常数&即在0’内1231’为常数&取三个相邻时段%&%.0’*&%.0’*.0’/&经过推导&得到徐变变形增量的计算表示如下"0456.*)45%.0’*.0’/+45%.0’*)$*+,+-0’/(76.*0456)45%.0’*+45%)$*+,+-0’*(76式中"76.*)76,+-0’*.026567*)02858在温差9徐变变形9自生体积变形共同作用下&由隐式解法可求得徐变应力增量为":02;,)<=><?>:0@;,+<=>:0@8;,A B A 计算模型利用通用有限元分析软件建模&整体坐标系的坐标原点取在厂房结构段上游面&坝轴线为8.8B 88&高程为8处!沿坝轴线为C 轴正向&从上游到下游向为D 轴正向&按右手螺旋定则定E 轴正向!厂房有限元计算模型如图*所示!厂房沿水流方向长F G B 88H&垂直水流方向长I J B J 8H &最大高度为I /B I GH &地基沿上9下游方向各取G 8H&深度方向取G 8H!厂房和地基均采用六面体八节点等参元单元!厂房混凝土分为*G 个浇筑层&层厚由*H 到I H 不等&且沿高度方向每浇筑层又划分了I KL 层单元&计算单元尺寸较小&其高度方向8B I K 8B GH &水平方向/KIH&单元总数I JJ /G 个&节点总数L MM I 8个N 地基上部单元尺寸较小&下部单元尺寸较大&单元总数*MJ G /个&节点总数/8F M G 个!A B O 计算参数岩石及厂房主体混凝土$P /89Q R 9S G 8三级配(的力学物理性能参数列于表*N 厂房主体混凝土自生体积变形过程列于表/N混凝土各龄期的抗压强度列于表I !A B T 计算假定及边界条件的选取假定材料为均质弹性9各向同性的连续体N 横缝面按绝热边界处理!厂房结构段应力场计算中边界条件的选取"地基底面按固定支座处理N 地基上游面和下游面法线方向按简支处理N 坝段的横缝面和上9下游面按自由边界处理!A B U 计算方案水电站厂房结构段流道底板面积很大&必须分缝分块浇筑N 流道上下游底板各留一条顺水流图*厂房有限元计算模型图表*岩石及厂房主体混凝土力学物理性能参数项目抗压弹性模量$*8LVW X (抗拉强度$VW X(极限拉伸$*8Y L(计算容重$Z [3H I (泊桑比基岩*B G \\/M I 8*3L P /8混凝土/B /*B F8B F/L G 8*3R表/自生体积变形过程龄期$](*/R *L I /R M *8J */I /8L L R J 变形*8Y RY L B *M Y F B F J Y **B R RY *L B 8M Y J B J I Y L B F R Y 8B G I 8B I *I B 8LJ B I表I 混凝土各龄期抗压强度9抗拉强度和弹模试验值龄期M ]/F ]J 8]*F 8]抗压强度$VW X (*G B F /L B *I I B *I I B R 劈裂抗拉$VW X (\*B F R/B G //B M R 抗压弹模$VW X (\/B /8^*8L/B M M ^*8L/B J G ^*8LF*西北水力发电第//卷方向的浅槽!底板及侧墙的上下游部分先浇"中部预留一倒三角形的后浇带!水电站厂房底板从#月$日开始施工"到$%月$&日顶层混凝土施工结束’后浇带将在冬季气温较低时分层回填"回填时间从当年$(月$)日开始"到第二年$月&%日结束"施工总时间按(%)*考虑!+计算结果按照上述计算方案"施工期每%,)*计算一次厂房结构段温度徐变应力场"运行期的时间步长为%,)*至&%*的变步长"进行了施工期和运行期全过程温度徐变应力仿真计算!由于计算成果比较多"为了便于研究抓住主要问题"在对选定的(%多个剖面进行比较后"分别给出施工期和运行期最大主应力等值线图"施工期及运行期厂房图(施工期厂房结构段-.&/0剖面最大主应力等值线图图&运行期厂房结构段-.&/0剖面最大主应力等值线图结构段最大主应力均发生在-.&/0剖面处"最大主应力等值线如图$和图(所示1图中应力拉为正"压为负"应力等值线图中应力单位为%,$2345!6成果分析在厂房结构段施工期"即#月$日7$%月$&日"厂房结构段大部分区域混凝土处于温升阶段"因此"厂房结构段大部分区域处于受压状态"局部有拉应力"但拉应力值很小!在厂房结构段施工间歇期"即$%月$&日7$(月$)日"厂房结构段混凝土向外界散热"结构段内部混凝土温度持续下降"厂房结构段内部拉应力不断增大"因此"在厂房结构段大部分区域产生拉应力!在厂房结构段施工期末"厂房结构段内部大部分区域8向拉应力为%,97(,$234"局部达到(,)7&,%234’-向拉应力为%,$7(,$234"局部达到(,)7&,%234’:向拉应力%,)7 $,%234"局部达到$,)7(,%234’最大主应力大部分区域为$,)7(,)234"局部达到(,)7 &,)234’从计算结果可以看出;拉应力较大的区域均出现在后浇带浇筑块"分析其原因可能是由于后浇带施工时厂房结构段对现浇筑的部分产生较大的约束从而引起后浇带内部局部区域在施工期末及运行期初产生较大的拉应力!在运行期"厂房结构段内部和厂房结构段底板表面的最大拉应力分布规律与厂房结构段施工间歇期末的分布规律基本相同"最大拉应力值略有增大!<结语经过实践"我们认为把大型通用有限元分析软件与温度应力仿真计算软件联合应用是一个较佳的结合!这样可以把精力用于施工仿真计算程序的开发"使之日臻完善’而对于前处理"则可使用通用有限元分析软件"花费很少的精力就可以使前处理达到较高的水平!从本文的计算结果可以看出;由于冬季外界气温较低"厂房结构段底板混凝土收缩受到地基的约束作用"厂房底板内部产生较大的拉应力"而在夏季"外界气温较高"混凝土发生膨胀"厂房底板内产生压应力’厂房结构段底板部分区域由于/$第$期王波"等贯流式机组水电站厂房施工期及运行期温度应力场仿真分析体积大而且在夏季施工!所以在底板局部温度应力大于混凝土的抗拉强度"在厂房结构段中部预留一倒三角形的后浇带虽然对温度应力有一定的影响!但由于施工季节及浇筑层厚度的影响!厂房结构段局部温度应力偏大#建议在温度应力过大的后浇带区域降低混凝土浇筑温度或使用$%&微膨胀混凝土#参考文献’()*+,-.!/010!2.342.%!+0506789:2;7<.2.2:=>7><?;,-@82:>;@->><?A ++328>9>7.%B C D?7.7;--:-C8-.;@-:<E 2;7.%8->,8-;,<3(5*0F 3G 2.E ->7.-.C%7.--@7.%><?;H 2@-!I J J )!B I ’K L L C K M I 0(I *陈尧隆!李守义!等0高碾压混凝土重力坝温度应力和防渗措施研究(A *0N 九五O 科技攻关报告!)P P P 0(B *朱伯芳0大体积混凝土温度应力与温度控制($*0北京’中国电力出版社!)P P M 0(Q *李九红!何劲!等0水电站表孔闸墩施工期温度应力仿真分析(5*0水利学报!I J J I !R P S ’))L C )I I 0(T *龚召熊!张锡祥!肖汉江!汪安华0水工混凝土的温控与防裂($*0北京’中国水利水电出版社!)P P P 0(K *秦杰!黄承奎!黄达海!伏义淑0三峡大坝混凝土施工实时仿真计算(5*0大连理工大学学报!I J J I !Q I R B S ’B T P C B K T 0U V W X Y Z [\]^Y _‘a ‘]\b c Y c _d U V W e Z ]\X ^e W c c f Y W \g _d U [h [\]e U [e h Y ‘W i b g e _j _k W e l \]‘^Y ‘m _‘c ^e [n ^Y _‘]‘g o j W e ]^Y ‘p l W e Y _g c4F q r s <)!+t u q /2<C :<.%)!v 2.%/9C w 7.%I!4u x y ,<.%C /92.)R )0w 7z 2.9.7G -@>7;=<?;-E ,.<:<%=!w 7z 2.L )J J Q M !+,7.2"I 0r 92.%{7u :-E ;@7E |<H -@x .39>;@=x .G ->;7C %2;7<.}D ->7%.x .>;7;9;-!r 92.%{7q 2..7.%T B J J I B !+,7.2Sa h c ^e ]n ^’+2:E 9:2;7.%;,-;,-@82:>;@->><?E <8~:-{:2@%-@,=3@29:7E>;@9E ;9@-!>9E ,2>,=3@<~<H -@~:2.;!;,-~@-~@<E ->><@2.3~<>;~@<E ->><@H 7::;2!-89E ,;78-0v ,-@-?<@-28-;,<3<?E <8"7.7.%2H -::!.<H >#u $><?;H 2@-H 7;,;,-~@<?->>7<.2:~@<%@287>2~~:7-30v ,7>8-;,<3,2>"--.>9E E ->>?9:C :=~@2E ;7E -339@7.%;,-E <.>;@9E ;7<.>789:2;7<.?<@2,=3@<~<H -@~:2.;0$W bk _e g c ’v 9@"7.-t =3@<~<H -@|:2.;"+<.>;@9E ;7<.|-@7<3>"&~-@2;7.%|-@7<3>"v ,-@82:6;@->>"%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%6789:2;7<.F .2:=>7>R 上接第)K 页S严重的气蚀破坏&设备运行安全性能差!其主要原因是水轮机实际安装高程比设计值提高了Q 0T8!且机组长期在汽蚀振动区运行"发电机组及其附属设备处于超期服役状态!设备及材料疲劳&损伤&老化#经采取转轮改型及设备技术改造等措施处理!水轮机的抗气蚀性能和效率性能均得到显著改善!并大大地改善了机组的安全稳定性能!取得了理想的效果#为进一步解决I 0)R )S引水隧洞缩径!恢复铭牌出力问题奠定基础!此问题将在后续的技术改造中逐步解决#二级电站的技术改造成功的经验!可供水电同类电站借鉴参考#U W n V ‘Y n ]\’W n _‘c ^e [n ^Y _‘_d i b g e ][\Y n U [e h Y ‘W (W ‘W e ]^_e )‘Y ^cY ‘^V W X W n _‘gm ]c n ]g W l _k W e X ^]^Y _‘_‘^V W ([^Y ]‘*Y+t u q r #-.%C =-)!$&6,9C ,<.%IR )0r 9;72.{7t =3@<~<H -@6;2;7<.!#9+72.r 9;72.{7B T I I T M !+,7.2"I 0w 7z 2.,.7G -@>7;=<?v -E ,.<:<C %=!w 7z 2.L )J J Q M !+,7.2Sa h c ^e ]n ^’v -E ,.7E 2:@-E <.>;@9E ;7<.<?;H <,=3@29:7E;9@"7.-%-.-@2;<@9.7;>7.;,->-E <.32@=~<H -@>;2;7<.<?r 9;72.{7H 2>7.;@<39E -3!><8->2?-;=~-@?<@82.E -~@<":-8>2>E 2G 7;2;7<.!G 7"@2;7<.2.32%-7.%--97~8-.;H -@-@-><:G -3!"-;;-@-E <.<87E 2:2.3><E 72:"-.-?7;H 2>2E ,7-G -30$W b k _e g c ’,=3@29:7E ;9@"7.-"%-.-@2;<@"@9..7.%"E 2G 7;2;7<.";-E ,.7E 2:@-E <.>;@9E ;7<.JI 西北水力发电第I I 卷。
