地下變電站溫度裂縫發展分析與控制

毛建勤 任 辰， 姜 波 徐 永 徐意智，*

(1．上海電力設計院有限公司，上海200025;2．同濟大學地下建筑與工程系，上海200092)

1 引言

地下變電站作為一種特種結構，建造在高地下水位地區時，裂縫控制不當引起的滲水會影響其使用功能。由于地下環境、邊界約束條件以及地下基坑開挖與結構施工過程的復雜性，溫度裂縫的形成不同于地面結構［1-7］，研究其溫度裂縫的空間分布與隨時間發展規律十分必要。

本文以上海濟南路220 kV地下變電站剪力墻結構為例，使用MIDAS/GEN軟件模擬地下變電站的施工過程，通過水化熱與裂縫指數分析功能，重點分析地下剪力墻結構的墻體、樓板和地基底板中溫度裂縫主要發生的位置以及在整個施工過程中裂縫隨工況演變的規律，并對不同位置和不同發展程度的裂縫給出了具體的施工控制措施，以保證地下變電站的正常使用。

2 工程實例

2．1 工程概況及計算模型

220 kV濟南路變電站地面結構一層，地下結構三層。

變電站基坑開挖深度達到19．0 m，地下連續墻成槽深度為37．0 m，為一級基坑?；硬捎玫叵逻B續墻和現澆混凝土內襯復合墻結構，采用順作法施工。地下連續墻厚1 000 mm，內襯厚度800 mm，內部縱橫墻體為鋼筋混凝土結構，厚500 mm;頂板厚600 mm，樓板厚400 mm，底板厚度為1．70 m。其平面圖、立面圖如圖1、圖2所示。

圖1 220 kV濟南變電站平面圖Fig．1 220 kV Jinan substation plan

圖2 220 kV濟南變電站立面圖Fig．2 220 kV Jinan substation vertical plan

通過MIDAS的水化熱參數化分析功能，實現溫度裂縫在不同工況下的分析，建立的數值計算模型如圖3所示，單元均采用MIDAS/GEN中的實體單元。

圖3 濟南變電站主體結構與地基基礎計算模型Fig．3 Jinan substation main structure and foundation calculation model

2．2 計算參數定義

材料物理與熱力學參數的選取參考現場數據與MIDAS使用手冊［8］上的建議值。

1)材料參數

混凝土:C30;比熱:0．25 kcal/(kg·℃);熱傳導率:2．3 kcal/(m·h·℃);

地基:彈性模量:1 ×106MPa;泊松比:0．2;線膨脹系數:1 ×10－5/℃;比熱:0．2 kcal/(kg·℃);熱傳導率:1．7 kcal/(m·h·℃)。

2)約束邊界、對流邊界條件

基礎底部與側面、地下連續墻外側為固定邊界;樓板結構在施工過程中下表面受豎向支撐。

結構自由面、結構與巖土接觸面為對應的地下環境溫度;結構與模板之間為對流邊界;后續工況新建的結構單元改變前一工況中結構的邊界條件。

3)環境溫度

環境溫度取工程地下實測溫度。

4)對流系數定義

對流參數的取值見表1。

表1 對流系數計算參數Table 1 Convection coefficient

5)混凝土熱源函數系數

最大絕熱溫升:41℃，導溫系數:0．759 m2/s。

2．3 計算工況定義

計算所用到的工況及相關計算參數如表2所示。

2．4 溫度裂縫定義

MIDAS軟件中定義溫度裂縫指數I值(拉應力比)預測是否發生裂縫。該軟件定義:I=混凝土抗拉強度/溫度應力［8］，當 I小于1．2 時，有害裂縫產生。數值計算的云圖中裂縫以深藍色區域顯示。

表2 工況參數Table 2 Working condition parameters

3 溫度裂縫數值分析

3．1 剪力墻結構溫度裂縫分析

以變電站地下3層剪力墻結構作為分析對象，澆筑時間為工況2初始，分析其在工況2、工況3、工況4中溫度裂縫分布與發展。

地下3層結構的溫度場峰值溫度變化如圖4、圖5所示。

圖4 600 h時地下3層結構的溫度場Fig．4 Temperature field of B3 structure at 600 h

圖5 地下3層結構溫度峰值隨時間變化Fig．5 Change of peak temperature over time

溫度峰值出現的時間在澆筑后的1～3 d，數值為44．92℃，位于地下3層的結構的內襯墻中(節點123 252)，持續約2 d，之后開始降溫，降溫速率為0．5～4℃/d，第3天降溫速率達到最大，而后隨時間推移而減緩，后續工況中溫度變化很小。

在溫度裂縫數值分析結果中，藍色區域為裂縫發生的主要區域，裂縫分布如圖6、圖7所示。

裂縫產生的位置，縱橫墻交匯處附近的門洞處，有害裂縫在澆筑后的一天內形成，在第2天裂縫開始閉合并逐漸縮小，門洞的存在減少了約束作用產生的裂縫。

圖6 836 h時地下3層結構裂縫指數空間分布Fig．6 Cracking index distribution of B3 structure at 836 h

圖7 地下3層關鍵節點處裂縫指數隨時間變化Fig．7 Cracking index change of main nodes over time

縱橫墻與樓板交匯處，裂縫發展趨勢近似，在澆筑后的3天內裂縫指數均為20，未產生裂縫(交匯處1節點接近溫度峰值所在位置，在溫度峰值持續的第1～3天內，由于前期與周圍單元溫差較大，裂縫指數有先下降后上升的波動)，在3～4 d內快速形成裂縫，在第4天末形成有害裂縫，而后裂縫指數趨于固定值0．6。

兩面內襯墻與樓板的交匯處，其裂縫發展的趨勢與前3者接近，裂縫的形成較晚，發生在工況2的第9天，裂縫指數最終收斂于1。

后續工況的影響:主要開裂部位，在工況3、工況4下的裂縫指數發展如圖8所示。從圖中可見，與上層樓板接觸的節點，在工況3初始由于表面與樓板產生的熱源接觸，這些節點裂縫有輕微的閉合而后繼續開裂。所有節點在后續工況3后期與工況4中裂縫指數變化很小。

以地下2層結構在工況3、工況4階段不同約束位置的裂縫發展情況研究溫度裂縫受剪力墻、內襯墻約束的影響。

在圖9中，左圖中為剪力墻開裂的主要位置，右圖為內襯墻開裂主要位置，裂縫指數隨時間發展如圖10所示。

圖8 地下3層裂縫位置節點裂縫指數后續工況中的變化Fig．8 Cracking index of B3 structure in subsequent working conditions

圖9 工況3地下2層結構溫度裂縫出現位置示意圖Fig．9 Temperature crack location of B2 structure at working condition 3

圖10 地下2層結構裂縫位置節點溫度隨時間變化曲線Fig．10 Temperature change of cracking nodes in B2 structure over time

受間距15 m橫墻約束的節點，裂縫隨時間的發展十分相似，在工況3的第2天產生拉應力，并于第3天迅速產生有害裂縫，裂縫指數保持在0．5，并持續到工況3結束。

受間距5 m橫墻約束的節點，在第2天產生拉應力，有害裂縫形成時間略晚于前者，在第6天形成裂縫，裂縫指數保持在0．9，并持續到工況3結束。

橫墻與內襯墻的交匯處，接近溫度峰值處，在第3天產生拉應力，并于第7天產生有害裂縫。

角部內襯墻與內襯墻的交匯處，在第4天產生拉應力，并于第8天產生有害裂縫。

工況4中上述節點的上方施工樓板，產生新熱源，但由于樓板產生熱源較少，這些節點的裂縫指數在工況4下變化很小。由于橫墻間距5 m的節點受到的約束作用大于橫墻間距15 m的節點，受間距為15 m的橫墻約束的裂縫，在工況4的第1～2天內裂縫有閉合的趨勢，但在后續的2～14天裂縫再次發展，又恢復到工況3末期的水平;受間距為5 m的橫墻約束的裂縫，在第1～2天內裂縫有加速開裂的趨勢，在后續的2～14 d裂縫有輕微的閉合，與上述的5個節點規律相反。位于內襯墻的節點，裂縫指數變化不明顯。

3．2 樓板溫度裂縫分析

以第3層結構的頂板作為研究對象，澆筑時間為工況2初始。其溫度場變化如圖11、圖12所示，溫度峰值變化如圖13所示。

圖11 510 h時地下3層樓板溫度場Fig．11 Temperature field of B3 slab at 510 h

圖12 846 h地下3層樓板溫度場Fig．12 Temperature field of B3 slab on 846 h

圖13 地下3層樓板溫度峰值處溫度隨時間變化Fig．13 Temperature change of extreme node in B3 slab over time

溫度峰值出現在內襯墻與樓板的交匯處，為44．85℃，出現在澆筑后的第1天。樓板頂面與空氣對流，底面與模板對流，頂面的溫度下降快，溫度比底面低，差值達到6℃，溫差最終減小至1℃以內。

在工況3下受上部熱源的作用，溫度峰值達到33．07℃，出現在澆筑2層結構的第2天，隨后開始降溫，降溫速率由初始的1．44℃/d不斷減緩，在第10天溫度降為環境溫度。

3層樓板頂面與底面在與剪力墻接觸處，頂面與底面的溫差控制在10℃以內，在第2天達到峰值后，溫差隨時間減緩，其他位置頂面與底面的溫差在1℃以內。工況4下遠離熱源，溫度基本不變。

樓板頂面與底面的裂縫如圖14、圖15所示。

圖14 836 h時3層樓板頂面裂縫分布Fig．14 Cracking location on top surface of B3 slab at 836 h

圖15 836 h時3層樓板底面裂縫分布Fig．15 Cracking location on back surface of B3 slab at 836 h

樓板的裂縫區位置位于縱橫墻與之的交匯處，與剪力墻的裂縫產生的時間與區域位置對應，這些位置受到了較大的約束作用而產生裂縫。樓板底面的單元因為與剪力墻直接接觸而約束作用大于頂面，裂縫的擴展區域也大于樓板頂面單元。

在工況3下地下3層樓板裂縫發展分布如圖16、圖17所示。裂縫的主要發展區域在上述5處較為明顯，集中在樓板與剪力墻的交匯處(圖17)，其裂縫指數隨時間發展如圖18所示。

在工況3開始階段，這5個區域部分單元的裂縫閉合，但隨著第2層結構水化熱的發展與剪力墻的約束作用，這些區域的裂縫輕微閉合后在第3天再次擴展，裂縫指數始終小于1．2，產生有害裂縫。在后續工況中裂縫變化很小。

圖16 936 h時地下3層樓板底面裂縫分布Fig．16 Cracking location on back surface of B3 slab at 936 h

圖17 1 172 h地下3層樓板裂縫主要發展區域示意圖Fig．17 Cracking location on back surface of B3 slab on 1 172 h

圖18 3層樓板裂縫處節點裂縫指數隨時間變化Fig．18 Temperature change of cracking nodes in B3 slab over time

3．3 基礎底板溫度裂縫分析

地下變電站基礎底板屬于大體積混凝土，澆筑在工況1完成，在后續工況其上澆筑剪力墻結構。計算工況不同時刻基礎的溫度與裂縫發展。

地基與基礎的溫度如圖19、圖20所示。

圖19 100 h時的地基與基礎溫度場Fig．19 Temperature field of foundation at 100 h

圖20 836 h時地基與基礎溫度場Fig．20 Temperature field of foundation at 836 h

基礎大底板混凝土溫度峰值出現的時間在2～4天，數值為52．94℃，之后開始降溫，速率為0．5～2．0℃/d，速率隨時間推移而減緩，工況1結束時間500 h處混凝土內部溫度為33．80℃。

最初溫度最值發生在基礎平面距離角部5 m處，研究該處混凝土內外溫度，基礎頂面、基礎的厚度中心以及基礎與地基接觸點的溫度隨時間變化如圖21所示。

圖21 基礎角部5 m處不同厚度位置的溫度變化Fig．21 Temperature change of foundation at different depth at 5 m off edge

最終溫度最值位于基礎中心，研究該處混凝土內外溫度，基礎頂面、基礎的厚度中心以及基礎與地基接觸點的溫度隨時間變化如圖22所示。

圖22 基礎中心不同厚度位置的溫度變化Fig．22 Temperature change in center of foundation at different depth

工況1中基礎的內外溫差控制在25℃以內，滿足大體積混凝土的設計要求。溫差的峰值出現在基礎澆筑完成的3～5 d之間，然后逐漸減小，500 h溫差控制在12℃左右，內外溫差在工況2下進一步減小，降至6．5℃。

研究基礎在工況1—工況4中的溫度裂縫發展，分布如圖23—圖27所示。

圖23 10 h時基礎裂縫指數空間分布Fig．23 Cracking location of foundation at 10 h

圖24 100 h時基礎裂縫指數空間分布Fig．24 Cracking location of foundation at 100 h

圖25 500 h時基礎裂縫指數空間分布Fig．25 Cracking location of foundation at 500 h

圖26 836 h時基礎裂縫指數空間分布Fig．26 Cracking location of foundation at 836 h

圖27 1 182 h地基與基礎裂縫發展分布Fig．27 Cracking location of foundation at 1 182 h

研究基礎角部與基礎平面中心不同厚度位置的裂縫指數發展，如圖28、圖29所示。

圖28 基礎角部不同厚度位置裂縫指數變化Fig．28 Cracking index change in edge of foundation at different depth

圖29 基礎中心處不同厚度位置裂縫指數變化Fig．29 Cracking index change in center of foundation at different depth

在基礎表面中心和角部，由于約束條件的不同，在基礎的表面、內部和地基接觸點的裂縫指數發展趨勢有較大區別，表面中心處的單元受周圍相鄰單元的約束，角部單元受地連墻的約束。

基礎角部:基礎表面單元的裂縫指數在最初的1周內保持不變，在1周至2周時間區間產生拉應力而快速降低，后續下降的速度稍緩。基礎厚度中心，裂縫指數在最初的10 d內保持不變，而后產生拉應力快速降低?；A表面與內部在整個工況1中不會產生有害裂縫，但有產生裂縫的趨勢，在工況2、工況3、工況4中仍未產生裂縫?；A和地基的接觸單元在工況1末期產生裂縫，并在后續工況中緩慢擴張。

基礎平面中心:基礎表面單元的裂縫指數由于拉應力的產生在1天內快速上升，而后趨慢?；A厚度的中心，在第10～15天拉應力產生，裂縫指數快速下降，有害裂縫未形成，但有產生的趨勢。工況2下基礎內部的單元進一步開裂，在第5天形成零星數處的有害裂縫;工況3下的基礎中心裂縫指數緩慢下降，中心單元裂縫緩慢擴展。工況4中內部裂縫指數持續降低，降幅為0．4，部分有害裂縫擴張并貫通。

工況2施工的地下3層結構，基礎受到上部墻體的約束。圖30中節點為地下3層的墻與基礎的交匯處，左圖中的節點受到了縱墻的約束，右圖中的節點同時受到上方縱、橫墻的約束，其裂縫指數的發展隨時間變化如圖31所示。

圖30 基礎裂縫位置示意圖Fig．30 Cracking location in foundation

圖31 墻、基礎節點裂縫指數隨時間變化曲線Fig．31 Cracking index change in junction of walls and foundation over time

在工況2的最初1天內，由于澆筑剪力墻使交匯處基礎內外溫差減小，兩處裂縫經過輕微閉合，而后由于剪力墻約束作用使裂縫擴張，并在工況2的第15天產生有害裂縫。在后續工況3中裂縫指數緩慢下降，裂縫范圍擴大，工況4初始表面裂縫連通。

4 溫度裂縫控制

針對不同位置、發展程度的溫度裂縫以及結構的重要性，采取不同的措施，保證地下變電站的安全性與可靠性。

(1)對于剪力墻結構，裂縫主要集中在結構剪力墻縱橫墻與樓板的交匯處，在設計上宜調整抗裂鋼筋縫布置，并加入水平分布鋼筋。在縱橫剪力墻與樓板交匯處，由于三者的約束作用明顯，裂縫容易產生，應設計加入構造鋼筋。

對于剪力墻小于0．2 mm的裂縫宜采取漿液表面涂刷封閉;對大于0．2 mm裂縫以及在縱橫墻交匯，內襯墻與剪力墻交匯處的裂縫，宜采用漿液灌注封閉。

(2)內襯墻處的有害裂縫對變電站的防水是不利的，裂縫產生在內襯墻與樓板的交匯處。內襯墻與連續墻交接處的裂縫在形成后，在第二周有輕微閉合繼而再次開裂。對于內襯墻的加固，宜加入一定數量的水平分布鋼筋，提高混凝土的極限拉伸，限制裂縫擴展;對于內襯墻上的裂縫宜采用漿液灌注封閉。

(3)樓板易產生裂縫的部位是與縱橫墻接觸受約束處，在后續工況中，這些裂縫區域出現先閉合后擴展的趨勢，裂縫的修補可結合剪力墻的修補一并完成。

4)基礎在澆筑完的第25天基礎內部開始產生零星數處有害裂縫而后內部部分裂縫連通?；A表面有害裂縫在第35天才形成于基礎與墻體的接觸處?；A底板應按照大體積混凝土的要求優化材料配合比，減小水泥水化熱的產生;在施工中宜分層分段澆筑，并及時養護，減少內外溫差產生的溫度裂縫。由于溫度應力與收縮產生的內部裂縫與表面裂縫宜采用灌漿等措施進行封閉。

5 結論

本文通過數值分析，研究地下變電站剪力墻結構各個構件的溫度裂縫發展，得到如下結論:

(1)變電站樓層結構中，裂縫主要發生在結構剪力墻縱橫墻與樓板的交匯處，剪力墻、內襯墻與樓板三者的交匯處，最初裂縫為零星數處，然后逐漸向樓板以下的單元擴展。

(2)內襯墻、剪力墻與樓板在澆筑后的一周后，裂縫開始形成。發展過程中，間距為15 m的橫墻與樓板交匯處的裂縫出現的較早。裂縫指數在該工況的一周后變化最大，在最初的一周內由于拉應力產生而迅速下降，在兩周時間內基本小于1，并趨于穩定。在后續工況中變化較小，即后續工況對前工況中的裂縫發展影響較小。

(3)對于剪力墻，間距15 m的橫墻約束產生的裂縫，在后續工況下有輕微的先閉合再開裂的趨勢;間距5 m的橫墻約束產生的裂縫，在后續工況下有明顯的開裂。間距5 m的橫墻裂縫指數均大于間距15 m的橫墻裂縫，即橫墻間距越短，所受的約束作用越大，裂縫越容易形成。若剪力墻位置可以做調整，適當增加縱橫墻的間距則有利于減少控制裂縫的產生。

(4)剪力墻上開啟的門洞減少了橫墻與縱墻的約束，裂縫的發生機率較小，在一些剪力墻上部分已經發生的裂縫閉合。

(5)樓板易產生裂縫的部位是與縱橫墻接觸受約束處，裂縫指數在本工況中由于拉應力的迅速發展而快速下降，在該工況末趨于穩定。

(6)樓板結構由于各構件體積較小，溫度在該澆筑工況下降溫迅速，在工況末趨于環境溫度。在下一工況下，各構件強度能達到75%，且溫度變化很小，是否拆除模板對溫度裂縫的發展影響較小。

(7)變電站的基礎屬于大體積混凝土，內外溫差始終控制在25℃以內。溫差的峰值出現在基礎澆筑完成的第3～4天之間，之后溫差隨著時間的推移逐漸減小。

(8)基礎單元在基礎澆筑完的前20 d內未產生裂縫，在第25天基礎單元內部開始產生零星數處有害裂縫，第37天部分內部裂縫連通，第50天較多的內部裂縫連通。基礎表面有害裂縫在第35天才形成，形成位置為基礎與墻體的接觸處，在第50天基礎表面裂縫連通。

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