貫流式機組水電站廠房底板施工期溫度場仿真分析

1、貫流式機組水電站廠房底板施工期溫度場仿真分析     摘 要：對于水電站廠房這樣結構復雜的大型水工結構，提出了將國外著名的大型有限元計算軟件與自主開發(fā)的溫度場、溫度應力仿真計算程序相結合的方法，解決了在仿真中實現(xiàn)三維空間內混凝土跳倉澆筑的困難，并對某水電站廠房底板進行了仿真計算分析。利用此方法，工程人員可以根據(jù)具體的施工方案、澆筑順序方便地進行溫度場、溫度應力仿真分析，掌握溫度分布情況，及時采取減小溫度應力的相應溫控措施。關鍵詞：水電站廠房；跳倉澆筑；溫度場；仿真分析；有限元計算 1 引言水電站廠房結構復雜，孔洞、薄板、墩墻及大型框架結構多，且采用較多的

2、分縫、分塊和跳倉澆筑，為水電站廠房的溫度場仿真帶來了極大困難。在當前的溫度場仿真計算程序中，要在三維空間實現(xiàn)混凝土跳倉澆筑存在一定困難：一方面，程序主體計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，不但耗費大量的時間與精力而且可視效果很差；另一方面，國外著名的大型有限元計算軟件前處理與后處理都很完善，功能強大，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水利水電學院開發(fā)的溫度場、溫度應力仿真計算程序有效地結合起來，解決了這一難題，并對國內某水電站廠房底板依照實際的澆筑進度、跳倉方式、冷卻參數(shù)和氣象資料進行了施工期

3、溫度場仿真計算分析。2 仿真計算21 基本理論熱傳導方程式中 導溫系數(shù)，m2 /h，=/c；導熱系數(shù)，kJ/mh；c比熱，kJ/kg；密度，kg/m3；混凝土的絕熱溫升，；時間，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 計算模型利用ANSYS軟件建立了廠房底板有限元計算模型，如圖1所示。廠房底板順水流長度8500m，垂直水流方向長度3990m，最大高度為138m，地基在深度方向50m，上、下游方向各取50m。整體坐標系的坐標

4、原點在底板正中間壩踵處，指下游方向為X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（其中壩體16164個，地基 18400個），節(jié)點總數(shù)39528個。 23 邊界條件計算模型建立以后，邊界條件的處理成為仿真計算成功與否的關鍵。本文采用FORTRAN語言編制了邊界單元選取程序，有效地解決了實現(xiàn)混凝土三維跳倉澆筑時的邊界條件的處理。廠房壩段兩側及施工結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 熱學參數(shù)混凝土的力學和熱學參數(shù)是仿真計算的關鍵，混凝土絕熱溫升、發(fā)熱指數(shù)、導熱系數(shù)、導溫系數(shù)等按表1取用。當僅考慮混凝土的水化熱時，絕熱溫升（）隨時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；TP試驗確定；m發(fā)熱指數(shù)，和水灰比及澆筑溫度有關；碾壓混凝土的齡期。3 計算結果本文對該水電站廠房底板的三種施工方案進行了溫度場仿真計算。方案一：水電站廠房流道全部采用縱橫向臨時施工縫，錯位搭接，不設預留槽及后澆塊；方案二：水電站廠房流道上游進口段設一條順水流方向預留槽，下游尾水底板設兩條預留槽，其余與方案一相同；方案三：水電站廠房流道上游進口段及下游尾水段均設兩條順水流方向預留槽，其余與方案一相同。混凝土澆筑每個方案均分為8層澆筑，層厚由1m到3m不等。三個方案均從7月1日開始施工，頂層混凝土施工結束時間為8月26日，因此，方案