黄河规划设计

西霞院混凝土建筑物温度控制设计

张春生阎士勤翟建(工程设计院) ［摘要］西霞院工程混凝土建筑物主要有电站厂房、泄洪闸、排沙洞及引水闸等，混凝土工程量约96万m３。既有一般大体积混凝土，又有结构复杂的多孔洞混凝土，如电站厂房下部混凝土，孔洞、板、墩、墙等较多。在本工程的温控设计中，利用平面有限元的方法，分别对工程不同部位、不同类型混凝土的温度场、应力场进行了详细的计算和分析，提出了明确的温控标准及温控措施。［关键词］温度应力灌浆温度西霞院 1 引言西霞院工程混凝土建筑物主要有电站厂房、泄洪闸、排沙洞及引水闸等，混凝土工程量约96万m３。电站厂房属闸坝式建筑物，为框架式钢筋混凝土结构，最大浇筑块平面尺寸32 m×26m，基础属软弱基岩；泄洪闸、排沙洞及坝后引水闸座落在砂砾石层上，亦为框架结构。混凝土强度等级以C25、C20为主。 2 气温特点及材料热力学性能 (1)气象特征及基岩特性据孟津县气象站26年(1963～1988年)的气象资料统计分析，坝址地区多年月平均气温见表1。月均最高气温26.3℃，月均最低气温-0.3℃，瞬时最高气温43.7℃，瞬时最低气温-17.2℃。坝址处寒潮频繁，多年平均每月出现1次～2次。多年平均风速2.9m/s。混凝土建筑物所处基岩为砂质粘土岩和微胶结砂岩互层，水平方向静弹性模量约1GPa，总体属于软岩，采用的基岩热力学参数见表2。 (2)混凝土热学、力学参数厂房、泄洪闸及排沙洞等建筑物以C25、C20混凝土为主，其热学参数、力学参数参考小浪底有关试验资料选用如表3。弹性模量：根据试验资料，为便于程序计算采用，拟合为： E(τ)＝3.06×104(1－e-0.188τ) 混凝土徐变：根据洛阳普通水泥C25混凝土徐变试验资料，拟合成： C(t，τ)＝(28.6+28.2 e-0.047τ)［1－e-0.216(t-τ)0.426］混凝土允许抗拉强度：根据试验资料，C25混凝土7天、28天、90天的抗拉强度分别为2.15MPa、3.06MPa、3.37MPa。考虑1.3的安全系数，允许拉应力分别为1.65MPa、2.35MPa、2.59MPa。混凝土泊桑比：各种混凝土泊桑比试验值较接近，均按μ=0.18计。 3 厂房坝段运用期温度分析及接缝灌浆温度确定3.1 厂房坝段运用期温度分析3.1.1 水库水温分析 (1)水库水温结构判别参照《水利水电工程水文计算规范》(SDJ214-83)推荐的方法分析水库水温，采用式(1)。 α= 多年平均年径流量/总库容 β= 一次洪水量/总库容(1) 若α>20为混合型，α<10为分层型，10<α<20为过渡型。对于分层型而言，遇到β>1的洪水时为临时混合型，遇到β<0.5的洪水时对水温结构的影响忽略不计。对泥沙淤积量大的水库，计算α时，总库容以淤积后的有效库容计。西霞院反调节水库多年平均年径流量279.0亿m３，正常蓄水位以下库容为0.452亿m３，α值约218，远大于10，为混合型水温结构。(2)水库水温确定水库为混合型水温结构，径流式电站水库调蓄能力差，水库水温按来流水温确定，且垂向分布上下一样，见表4。 3.1.2 运用期坝体准稳定温度场计算 (1)计算模型经分析，选择2号机组顺水流向0-009～0+017之间中心竖剖面为模型1、0+048m处横剖面为模型2进行计算分析，见图1、图2。 (2)边界条件基岩计算范围：经比较分析，基岩深度大于30m以后，其对计算模型温度及温度应力的影响基本稳定，基岩计算深度取30m。图1 计算模型1(单位：m) 图2 计算模型2(单位：m) 热学边界条件：模型1、模型2的基岩底面、侧面和顶面均为二类边界(绝热边界)，模型1上游面为一类边界(水边界)，水温按前述确定考虑；模型1下游面为二类边界(绝热边界)；模型内部孔洞为三类边界(气温边界)，气温按月平均温度或旬平均考虑。模型2左右两侧为二类边界(绝热边界)；模型内部孔洞为一类边界(水边界)，水温按前述确定考虑。 (3)初始条件基岩初始温度：参考有关文献，基岩温度可采用公式(2)： T(z)=T0－(T0－TH)·e-0.28(H-Z) 0≤Z≤H (2) 式中：T(z)—基岩由下向上，任意深度的温度。 H—基岩计算深度 H＝30m。 T0—基岩底部温度，根据有关资料分析，地面以下30m处的温度与年均气温相当。T0＝13.6℃ TH—起算时基岩的顶面温度，与当月的平均气温相当。模型初始温度：以年平均气温、年平均水温为边界温度，计算模型的稳定温度场，其结果作为计算准稳定温度场的初始温度。 (4)计算结果及分析模型1计算结果：运用期平均最低温度约7℃。模型2计算结果：运用期平均最低温度约10℃。 3.2 厂房坝段接缝灌浆温度确定厂房坝段接缝灌浆温度根据各部位最低温度确定，结合上述计算分析，确定厂房坝段接缝灌浆温度为9℃。 4 施工期温度应力分析厂房共4个坝段，横缝间距32m，属闸坝式框架结构。采用平面有限元法进行分析。 (1)计算模型经分析，选择2#机组0+048m处横剖面为模型进行计算分析，见图2。 (2)边界条件基岩计算范围同运用期。热学边界条件：基岩底面、侧面为二类边界(绝热边界)；混凝土表面均为三类边界(气温边界)，拆模前混凝土表面等效放热系数β=12.6kJ/(m２.d.℃)，拆模后β=66.9kJ/(m２.d.℃)。基岩约束条件：经分析论证，确定基岩底面为竖向约束，基岩底部左角点为双向(即水平向和竖向)约束，其余无约束。 (3)初始条件基岩温度计算公式同运用期，气温：按多年旬平均气温计。混凝土初始温度：浇筑温度为混凝土初始温度，夏季(6月～8月)不高于多年月平均气温25℃，冬季(12月～2月)不低于5℃，其他季节按多年月平均气温计。计算起浇时间：根据目前的进度计划，厂房坝段9月份开始浇筑混凝土，由于部位多，不可能4个厂房坝段同时浇筑。按9月、10月、11月、及第二年4月开始浇筑进行分析。 (4)计算结果及分析采用平面有限元进行计算，9月、10月、11月及第二年4月开始浇筑混凝土的计算结果见表5。由表5可知，9月、10月、11月开盘浇筑厂房坝段混凝土，层间歇期10天，常温下浇筑，其基础部位最大温度应力2.1MPa，在C25混凝土允许拉应力之内，对应最高温度约32℃。但尾水管顶部温度应力普遍较大，孔口上侧1.5m处温度应力2.5MPa，孔口边缘附近温度应力更大，超出混凝土允许拉应力，其最高温度23℃～32℃。若4月开盘浇筑厂房坝段混凝土，层间歇期10天，其基础部位最大温度应力2.3MPa，在C25混凝土28天允许拉应力之内，对应最高温度约32～35℃。尾水管顶部孔口上侧1.5m处温度应力2.5 MPa，孔口边缘附近温度应力更大，超出混凝土允许拉应力，其最高温度40℃左右。通过上述各月开盘结果分析，发现尾水管顶部温度应力对最高温度不敏感，无论最高温度为23℃或是40℃，温度应力均比较大。所以降低最高温度不能减小尾水管顶部的温度应力。需采取结构措施：如预留封闭块等。 5 混凝土建筑物温度控制标准5.1 基础温差控制标准基础温差可通过б1 +б2 ≤［б］计算确定，式中б1 为均匀温差温度应力，б2 为水化热温度应力，［б］为允许拉应力，计算得均匀温差Tp-Tf=13℃，推算允许基础温差为27℃。考虑到厂房坝段基岩为软岩，弹模较小，结合上述分析及《混凝土重力坝设计规范》(SDJ21-78)相关规定，选择允许基础温差如表6。坐落在覆盖层上的混凝土建筑物不存在基础温差。 5.2 内外温差内外温差指混凝土块体内平均最高温度与环境气温之差，环境气温指各月最低日平均气温。一般情况控制内外温差20～25℃。内外温差可采用ΔT = (1-μ)·［б］/(Kp·E·α)计算拟定。式中ΔT为混凝土内表温差，［б］采用早龄期的允许拉应力，其他参数意义同前。由内表温差ΔT再推求内外温差。经分析选定内外温差结果如表7。注：混凝土表面 β=12.6kJ(m2.d. ℃ )相当于木模板保护。 5.3 允许最高温度允许最高温度受基础温差和内外温差的双重控制，取低值。对于冬季，内外温差可通过表面保护解决，基础部位按基础温差控制。同时结合有限元计算分析，允许最高温度控制表如表8、9。注：若长间歇(龄期超过28天)后又浇筑混凝土时，距老混凝土高度0～0.2L内最高温度32℃，高度0.2L～0.4L内最高温度35℃。注：此表对于短间歇、均匀上升的情况。若长间歇(龄期超过28天)后又浇筑混凝土时，距老混凝土高度0～0.2L内最高温度32℃，高度0.2L～0.4L内最高温度35℃ 5.4 表面保护 (1)寒潮保护坝址处寒潮次数极其频繁，尤其对排沙洞、泄洪闸、电站厂房上部等薄壁框架结构，表面保护尤为重要。经计算分析，龄期未满28天的C25 、C20等混凝土，遭遇寒潮时采取保护后的混凝土表面等效散热系数β≤12.6kJ/(m２.h.℃)。 (2)防冻保护坝址处多年日平均-5≤T≤0℃约36天，最多出现86天。对龄期未满28天的混凝土，采取保护后的混凝土表面等效散热系数β≤12.6kJ/(m２.h.℃)。 (3)长期保护对于厂房坝段上游面、进水墩墙、底板等，为防止年气温变幅等引起裂缝，应长期进行保护，直到蓄水前为止，保护后的β≤12.6kJ/(m２.h.℃)。 5.5 相邻块高差需接缝灌浆的部位，相邻块高差不超过8m，其他部位相邻块高差不超过12m。 6 防裂措施混凝土施工质量达到相应的要求，具备基本防裂性能外，还应满足以下要求。 (1)选择合适的水泥品种水泥品种直接影响混凝土的水化热温升。在附近厂家几种水泥质量都符合要求的情况下，尽可能选择水化热较低的水泥，以降低水化热温升。 (2)掺加适量粉煤灰经过大量的工程实践证明，一般部位均可掺加适量质量符合要求的粉煤灰，这对改善混凝土配合比、降低混凝土绝热温升、提高混凝土后期强度、提高抗裂性能等均有十分积极的技术经济意义。 (3)夏季施工夏季(6月～8月)施工，根据需要采取降低浇筑温度、仓面喷雾及在浇筑层顶面终凝后进行表面流水降低水化热温升等措施。另外，加强混凝土的洒水养护，在龄期21天内保持混凝土表面湿润。根据浇筑的部位、季节不同，降低浇筑温度可采取预冷粗骨料、加冰拌和、冷水拌和等。根据允许最高温度，厂房坝段基础部位在6月～8月份施工的浇筑温度为16℃～20℃，上部在6月～8月份的浇筑温度为25℃。为满足浇筑温度16℃的要求，需采取预冷粗骨料、加冰和冷水拌和等措施；为满足浇筑温度20℃的要求，需采取加冰和冷水拌和等措施；为满足浇筑温度25℃的要求，需采取加冷水拌和等措施。 (4)冬季施工冬季施工从每年的11月下旬至次年3月初，此阶段气温较低，根据需要采取必要的措施，提高混凝土浇筑温度达5℃以上。确保混凝土浇筑过程中不结冰，以保证混凝土强度的增长，同时加强表面保护，满足防冻要求。冬季施工应采取保温模板(木模)，或钢模内衬保温材料，并在浇筑层顶部覆盖保温材料，拆模后立即采用保温材料覆盖，材料厚度满足前述要求。当基岩或老混凝土表层低于1℃时，应对其表层250px深度范围内进行处理，可用热水或蒸汽冲洗加热至5℃以上。气温较低时可搭设暖棚，在暖棚内施工。 (5)设置封闭块根据分析，在厂房坝段的一些部位(尾水管顶板等)需设置封闭块，封闭块宽度1.11.4m，在封闭块处将钢筋断开，待两侧温度降到接近最低温度时，再焊接钢筋，浇筑封闭块混凝土。封闭块混凝土施工最好在低温季节，若由于一些特殊原因需提前浇筑，比两侧混凝土最少滞后1个月以上。 7 几个技术要求西霞院混凝土建筑物大多坐落在软弱基岩上，在基础温差控制标准确定时充分考虑这一有利因素，适当放宽了基础温差控制标准，未完全按照规范要求确定。厂房坝段尾水管顶部及蜗壳边墙部位的温度应力普遍较大，对最高温度不敏感，已不是纯粹意义上的温度应力，主要是由结构体形复杂引起的，尚需采取结构措施解决大应力问题，如预留封闭块、增设温度分布筋等。对于薄壁构件，如基础底板、墩墙等，要求特别注意施工期寒潮冷击及冬季保温防冻，充分作好表面保护工作。