貫流式機(jī)組水電站廠房底板施工期溫度場(chǎng)仿真分析

1、貫流式機(jī)組水電站廠房底板施工期溫度場(chǎng)仿真分析     摘 要：對(duì)于水電站廠房這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型水工結(jié)構(gòu)，提出了將國(guó)外著名的大型有限元計(jì)算軟件與自主開發(fā)的溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力仿真計(jì)算程序相結(jié)合的方法，解決了在仿真中實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)混凝土跳倉(cāng)澆筑的困難，并對(duì)某水電站廠房底板進(jìn)行了仿真計(jì)算分析。利用此方法，工程人員可以根據(jù)具體的施工方案、澆筑順序方便地進(jìn)行溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力仿真分析，掌握溫度分布情況，及時(shí)采取減小溫度應(yīng)力的相應(yīng)溫控措施。關(guān)鍵詞：水電站廠房；跳倉(cāng)澆筑；溫度場(chǎng)；仿真分析；有限元計(jì)算 1 引言水電站廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔洞、薄板、墩墻及大型框架結(jié)構(gòu)多，且采用較多的

2、分縫、分塊和跳倉(cāng)澆筑，為水電站廠房的溫度場(chǎng)仿真帶來(lái)了極大困難。在當(dāng)前的溫度場(chǎng)仿真計(jì)算程序中，要在三維空間實(shí)現(xiàn)混凝土跳倉(cāng)澆筑存在一定困難：一方面，程序主體計(jì)算部分可以做得非常專業(yè)，但是前處理及后處理不易解決，不但耗費(fèi)大量的時(shí)間與精力而且可視效果很差；另一方面，國(guó)外著名的大型有限元計(jì)算軟件前處理與后處理都很完善，功能強(qiáng)大，可視效果好，但是由于軟件開發(fā)商更重視軟件的通用性，因此在專業(yè)性上較差。本文把通用軟件的前處理與后處理功能與西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院開發(fā)的溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力仿真計(jì)算程序有效地結(jié)合起來(lái)，解決了這一難題，并對(duì)國(guó)內(nèi)某水電站廠房底板依照實(shí)際的澆筑進(jìn)度、跳倉(cāng)方式、冷卻參數(shù)和氣象資料進(jìn)行了施工期

3、溫度場(chǎng)仿真計(jì)算分析。2 仿真計(jì)算21 基本理論熱傳導(dǎo)方程式中 導(dǎo)溫系數(shù)，m2 /h，=/c；導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/mh；c比熱，kJ/kg；密度，kg/m3；混凝土的絕熱溫升，；時(shí)間，h。初始條件及邊界條件：初始條件 T=0=T0（x，y，z）邊界條件第一類邊界條件T=Tb第三類邊界條件絕熱邊界條件式中 Tb給定的邊界溫度；Ta氣溫；T0（x，y，z）給定的初始溫度，為常數(shù)；表面放熱系數(shù)。22 計(jì)算模型利用ANSYS軟件建立了廠房底板有限元計(jì)算模型，如圖1所示。廠房底板順?biāo)鏖L(zhǎng)度8500m，垂直水流方向長(zhǎng)度3990m，最大高度為138m，地基在深度方向50m，上、下游方向各取50m。整體坐標(biāo)系的坐標(biāo)

4、原點(diǎn)在底板正中間壩踵處，指下游方向?yàn)閄軸正向，鉛直向上為Y軸正向，指向右岸為Z軸正向。單元采用六面體八節(jié)點(diǎn)等參元，廠房沿高度方向每澆筑層劃分34層單元，單元基本尺寸較小，高度方向0305m，水平方向23m，單元總數(shù)34564個(gè)（其中壩體16164個(gè)，地基 18400個(gè)），節(jié)點(diǎn)總數(shù)39528個(gè)。 23 邊界條件計(jì)算模型建立以后，邊界條件的處理成為仿真計(jì)算成功與否的關(guān)鍵。本文采用FORTRAN語(yǔ)言編制了邊界單元選取程序，有效地解決了實(shí)現(xiàn)混凝土三維跳倉(cāng)澆筑時(shí)的邊界條件的處理。廠房壩段兩側(cè)及施工結(jié)束后底板頂面按絕熱邊界處理；壩底混凝土和基巖的接觸面按第四類邊界處理；廠房壩段上、下游面、橫縫邊界條件均為

5、固-氣邊界。24 熱學(xué)參數(shù)混凝土的力學(xué)和熱學(xué)參數(shù)是仿真計(jì)算的關(guān)鍵，混凝土絕熱溫升、發(fā)熱指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)等按表1取用。當(dāng)僅考慮混凝土的水化熱時(shí)，絕熱溫升（）隨時(shí)間變化的擬合公式為（）=（k，T P）×（1-e-m）式中（k，TP）最終絕熱溫升，與水泥種類（k）及最初澆筑溫度（T P）有關(guān)；TP試驗(yàn)確定；m發(fā)熱指數(shù)，和水灰比及澆筑溫度有關(guān)；碾壓混凝土的齡期。3 計(jì)算結(jié)果本文對(duì)該水電站廠房底板的三種施工方案進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿真計(jì)算。方案一：水電站廠房流道全部采用縱橫向臨時(shí)施工縫，錯(cuò)位搭接，不設(shè)預(yù)留槽及后澆塊；方案二：水電站廠房流道上游進(jìn)口段設(shè)一條順?biāo)鞣较蝾A(yù)留槽，下游尾水底板設(shè)兩條預(yù)留槽，其余與方案一相同；方案三：水電站廠房流道上游進(jìn)口段及下游尾水段均設(shè)兩條順?biāo)鞣较蝾A(yù)留槽，其余與方案一相同?；炷翝仓總€(gè)方案均分為8層澆筑，層厚由1m到3m不等。三個(gè)方案均從7月1日開始施工，頂層混凝土施工結(jié)束時(shí)間為8月26日，因此，方案