峽江水利樞紐廠房底板裂縫成因有限元分析

胡 強(qiáng)，萬迪文

(1.南昌市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，南昌330009;2.江西省峽江水利樞紐工程管理局，南昌330046)

大體積混凝土基礎(chǔ)底板裂縫的影響因素很多［1］，包括溫差，材料的彈性模量，混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，板厚，結(jié)構(gòu)長度，混凝土的徐變，基礎(chǔ)約束等。國內(nèi)大都采用有限元模擬混凝土溫度場，且實(shí)踐證明仿真計(jì)算得出的溫度變化規(guī)律與實(shí)測結(jié)果基本相符［2］。但施工期現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)條件、氣溫變化、混凝土骨料溫度、運(yùn)輸曝曬時(shí)間、水泥開始水化時(shí)間等實(shí)際情況，與仿真計(jì)算所施加的邊界條件存在一定的差距。為有效分析工程建設(shè)期間各種裂縫產(chǎn)生的成因，某水利工程在施工期即進(jìn)行了大壩安全監(jiān)測工作，對(duì)壩基揚(yáng)壓力、壩基溫度、基巖變形及混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行了監(jiān)測。結(jié)合大壩安全監(jiān)測所得實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)建筑物進(jìn)行非線性有限元仿真計(jì)算將更加符合實(shí)際條件，對(duì)混凝土裂縫成因的分析將更加準(zhǔn)確可靠。

1 工程概況

江西省峽江水利樞紐工程位于贛江中游峽江縣上游峽谷河段，是一座以防洪、發(fā)電、航運(yùn)為主，兼顧灌溉等綜合利用的大(1)型I等水利樞紐工程。樞紐廠房段設(shè)計(jì)建基面高程6.5～11.50 m，建基巖體為微風(fēng)化的炭質(zhì)絹云千枚巖，飽和抗壓強(qiáng)度30～40MPa，變形模量Eo=4.5～5 Gpa，巖體較堅(jiān)硬完整。主廠房順?biāo)鞣较蚍譃檫M(jìn)口段、水輪發(fā)電機(jī)及出口段，順?biāo)鞣较蜷L91.7 m，沿壩軸線寬211.80 m。廠房共裝有9臺(tái)機(jī)組，其中 2#～8#號(hào)機(jī)組寬22.7 m，1#、9#機(jī)組寬26.45 m［3］。

2 廠房底板混凝土裂縫

主廠房4#機(jī)組中心高程22.8 m以下實(shí)際施工分層分塊澆筑圖如圖1所示，陰影所示為已澆筑混凝土。其中1號(hào)倉面于7月20—21日澆筑，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)4-1號(hào)裂縫。2號(hào)倉面于8月4—6日澆筑，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)4—2、4—3、4—4號(hào)裂縫。3號(hào)倉面于7月24日澆筑。裂縫分布圖見圖3。

圖1 機(jī)組中心高程以下實(shí)際施工分層分塊澆筑圖

3 大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)

工程在施工期即進(jìn)行了大壩安全監(jiān)測工作，監(jiān)測儀器設(shè)備安裝和埋設(shè)完畢后定期記錄讀數(shù)。壩基溫度經(jīng)觀測，高程9.25 m處巖基溫度為25℃ ～27℃，高程10.55 m處巖基溫度為26℃～28℃。壩基揚(yáng)壓力經(jīng)觀測，高程9.25 m處壩基揚(yáng)壓力為17.51～40.41 KPa，高程10.55 m處壩基揚(yáng)壓力為28.86～36.39 KPa。基巖變形經(jīng)觀測，高程9.25 m處基巖變形為0.93～1.11 mm，高程10.55 m處基巖變形為0.91～1.20 mm。混凝土澆筑及凝固過程中內(nèi)部實(shí)際溫度觀測結(jié)果見表1。

表1 混凝土溫度計(jì)觀測結(jié)果

4 計(jì)算模型和參數(shù)

4.1 計(jì)算模型

本文對(duì)4#機(jī)組已澆筑的1～4號(hào)倉面及壩基建立有限元模型，三維有限元計(jì)算模型見圖2。4#機(jī)組有限元模型沿壩軸線寬度22.7 m，沿水流方向至壩橫0+047.2后澆帶位置。

混凝土底板采用能夠模擬混凝土開裂和壓碎性質(zhì)的SOLID65六面體單元來模擬，巖基采用SOLID45六面體單元來模擬，鋼筋與混凝土的聯(lián)結(jié)方式采用整體式模型［4］。圖中X軸正方向指向上游，Y軸正方向?yàn)殂U直向上，Z軸正方向水平指向右岸。由大壩安全監(jiān)測基巖變形觀測數(shù)據(jù)可知，底板混凝土與巖基接觸狀況良好，巖基屬于強(qiáng)約束區(qū)。故對(duì)底板混凝土與巖基接觸面施加兩向約束，即X、Z向約束。對(duì)底板混凝土垂直面施加對(duì)稱約束。底板混凝土網(wǎng)格劃分單元尺寸為0.15 m，使其等于混凝土試塊尺寸。巖基網(wǎng)格劃分單元尺寸為0.5 m。

圖2 三維有限元計(jì)算模型

4.2 主要計(jì)算參數(shù)

本文采用大型通用有限元程序ANSYS進(jìn)行計(jì)算。混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系采用多折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型來定義，其本構(gòu)關(guān)系的具體數(shù)學(xué)模型為:

根據(jù)本工程實(shí)際結(jié)構(gòu)形式及受力情況，混凝土強(qiáng)度準(zhǔn)則采用William-Warnker五參數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則，考慮水平力較小情況的張開裂縫剪切傳遞系數(shù)、閉合裂縫剪切傳遞系數(shù)、抗拉強(qiáng)度可分別定為 0.7，1，1.78 × 106Pa［5］。廠房底板混凝土等級(jí)為C25，由規(guī)范取彈性模量為2×1010Pa，泊松比為0.167，極限抗拉強(qiáng)度為1.78×106Pa。混凝土主要熱力學(xué)性能指標(biāo)由有關(guān)資料取溫度線膨脹系數(shù)為 1×10-5，密度為2 400 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為 10.2KJ/(m·h·℃)，比熱為0.95KJ/(kg·℃)［6］。

考慮混凝土的干縮變形和自生體積變形，兩者擬合公式為［7］:

式中:t為時(shí)間;τ為加載齡期;C1為可恢復(fù)徐變，C1=0.23/E0;C2為不可恢復(fù)徐變，C2=0.52/E0;E0為混凝土最終彈模，E0=1.05E。

根據(jù)施工期大壩安全監(jiān)測實(shí)測數(shù)據(jù)，1號(hào)倉面壩基溫度取26℃，壩基揚(yáng)壓力取31 KPa，混凝土內(nèi)部溫度取最不利工況值43.45℃;2號(hào)倉面壩基溫度取25℃，壩基揚(yáng)壓力取38 KPa，混凝土內(nèi)部溫度取最不利工況值50.05℃;3號(hào)倉面混凝土內(nèi)部溫度取7 d后溫度39.7℃。由基巖變形觀測數(shù)據(jù)可知，底板混凝土與巖基接觸狀況良好，巖基屬于強(qiáng)約束區(qū)。據(jù)氣象資料，1號(hào)倉面當(dāng)天早晚氣溫22.8℃ ～31.7℃，澆筑時(shí)的氣溫27℃ ～33℃。2號(hào)倉面當(dāng)天早晚氣溫29℃ ～39℃，澆筑時(shí)的氣溫29℃ ～33℃。

5 施工期仿真計(jì)算

4-1號(hào)裂縫所在1號(hào)倉面施工期非線性有限元計(jì)算結(jié)果見圖4。4-2、4-3、4-4號(hào)裂縫所在2號(hào)倉面施工期非線性有限元計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖3 4#機(jī)組實(shí)際裂縫分布圖

圖4 1號(hào)倉面施工期主應(yīng)力分布圖

圖5 2號(hào)倉面施工期主應(yīng)力分布圖

由1號(hào)倉面施工期主應(yīng)力分布圖可知，該倉面上表面主應(yīng)力順河流方向在中部呈條狀分布，數(shù)值為0.97～1.37 MPa，局部可達(dá)到1.58～1.79 MPa。混凝土底板下表面主要產(chǎn)生壓應(yīng)力，底板兩端壓應(yīng)力為3.27 KPa。這是因?yàn)榈装迳媳砻嫱ㄟ^與空氣進(jìn)行熱交換降溫較快，下表面通過巖基向下傳熱較慢，且受巖基約束，故底板下表面產(chǎn)生了壓應(yīng)力。將1號(hào)倉面裂縫實(shí)際分布圖與仿真計(jì)算主應(yīng)力分布圖進(jìn)行對(duì)比可知，仿真計(jì)算中較大主應(yīng)力的分布走向與4-1裂縫實(shí)際分布走向基本相似。

由2號(hào)倉面施工期主應(yīng)力分布圖可知，該倉面上表面主應(yīng)力順河流方向在中部呈條狀分布，數(shù)值為1.01～1.21 MPa。因2號(hào)倉面底部一半位于基巖，一半位于3號(hào)倉面上部，且3號(hào)倉面與2號(hào)倉面澆筑間隔時(shí)間為10 d，兩個(gè)倉面水化熱與彈性模量的差異對(duì)接觸部位會(huì)產(chǎn)生一定影響。由2號(hào)倉面主應(yīng)力分布圖可知，與3號(hào)倉面接觸部位的上表面拉應(yīng)力局部可達(dá)到1.63～1.7 MPa，接觸面拉應(yīng)力局部可達(dá)到1.63～1.8 MPa。將2號(hào)倉面裂縫實(shí)際分布圖與仿真計(jì)算主應(yīng)力分布圖進(jìn)行對(duì)比可知，仿真計(jì)算中較大主應(yīng)力的分布走向與4-2、4-3、4-4裂縫實(shí)際分布走向基本相似。

6 裂縫成因分析

根據(jù)峽江水利樞紐廠房底板混凝土非線性有限元計(jì)算結(jié)果與4-1、4-2、4-3、4-4號(hào)裂縫實(shí)際分布的對(duì)比，底板出現(xiàn)裂縫的主要原因分析如下:

1)基礎(chǔ)約束的影響:廠房底板澆筑層鋼筋均布置在澆筑塊周邊及底部范圍，而混凝土裂縫基本出現(xiàn)在澆筑層中部的表面。根據(jù)已澆混凝土裂縫實(shí)際出現(xiàn)的時(shí)間、性狀，以及1、2號(hào)倉面仿真計(jì)算中主應(yīng)力順河流方向的走向分布，可推斷4-1、4-2號(hào)裂縫是受基巖約束，不能滿足新澆混凝土的收縮變形所致。

2)溫度應(yīng)力的影響:本工程混凝土使用普通硅酸鹽水泥為江西南方P.O42.5，早期強(qiáng)度大(3 d強(qiáng)度達(dá)到25Mp)，早期水化熱大且絕熱溫升快(40 h左右即可達(dá)到50℃)。由于底板混凝土澆筑時(shí)正處于晝夜溫差較大的季節(jié)(晝夜溫差在10℃左右)，在夜間溫度較低、混凝土內(nèi)部溫度很高的情況下，易使混凝土表面出現(xiàn)拉應(yīng)力。由裂縫實(shí)際分布及1、2號(hào)倉面仿真計(jì)算結(jié)果知，底板上表面的溫差過大導(dǎo)致了裂縫的產(chǎn)生。

3)上下層混凝土澆筑間隔時(shí)間的影響:如果間隔時(shí)間過長，下一層的強(qiáng)度高、彈模大、變形及應(yīng)力松弛小，而上層新澆混凝土強(qiáng)度低、彈模小、變形及應(yīng)力松弛大，上層新澆混凝土容易產(chǎn)生裂縫。由4-3、4-4號(hào)裂縫實(shí)際分布與仿真計(jì)算成果知，上下層混凝土澆筑間隔時(shí)間過長導(dǎo)致了裂縫產(chǎn)生。

由此可判斷4-1、4-2號(hào)裂縫成因主要是受基礎(chǔ)約束和溫度應(yīng)力的影響，4-3、4-4號(hào)裂縫成因主要是受溫度應(yīng)力和上下層混凝土澆筑間隔時(shí)間的影響。

［1］王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［2］于衛(wèi)紅，王文勝.大體積混凝土底板施工的綜合防裂技術(shù)［J］.南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)，2005，5(3).

［3］江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院.峽江水利樞紐初步設(shè)計(jì)研究報(bào)告［R］.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2010.

［4］徐鎮(zhèn)凱，萬迪文.閘墩裂縫成因的非線性有限元法分析［J］.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版)，2008(3):263-267.

［5］江見鯨.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

［6］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京:中國電力出版社，1999.

［7］黃國興，惠榮炎.混凝土的收縮［M］.北京:中國鐵道出版社，1990.