風(fēng)電機(jī)組筏板基礎(chǔ)混凝土溫度場仿真分析與溫控監(jiān)測

彭 冀 陳一新

（1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院有限公司，北京 100120；2.杭州市富陽區(qū)河道水庫管理中心，浙江 杭州 311400）

0 引言

目前，我國的一些風(fēng)力發(fā)電場大多建設(shè)在位置偏遠(yuǎn)、海拔較高、風(fēng)能充足的山區(qū)，這樣的建設(shè)條件雖然能夠提高風(fēng)力發(fā)電的效率，但是由于這些偏遠(yuǎn)地區(qū)的晝夜溫差較大，且風(fēng)速大多時(shí)間在6m/s以上，對風(fēng)電機(jī)組的建設(shè)也提出了較高的要求[1]。目前我國風(fēng)電機(jī)組逐漸開始采用筏板式建筑方式，由梁、板、中墩組成的筏板式結(jié)構(gòu)，使得筏板受力簡單直接、均衡可靠，并且采用填土替換部分的混凝土，在一定程度上減少了混凝土的用量，減少了混凝土水化熱產(chǎn)生開裂的現(xiàn)象，安全性更高。風(fēng)電機(jī)組筏板基礎(chǔ)混凝土的施工方式為一次性懸模整體澆筑，屬于大體積混凝土，具備大體積混凝土溫度應(yīng)力明顯的特征[2]。本文對筏板基礎(chǔ)混凝土進(jìn)行溫度場仿真分析與溫控監(jiān)測，研究筏板式大體積混凝土在不同溫度下受到的應(yīng)力變化，從而提出解決方案，減少混凝土開裂，以保證風(fēng)電機(jī)組建設(shè)施工安全。

1 研究對象概況

本文選取我國中部某風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組為研究對象，該風(fēng)電場周邊環(huán)境以山地地形為主，海拔800～1200m，整體地勢高差起伏較大，風(fēng)能充足，晝夜溫差最大可達(dá)20℃，皆采用梁板結(jié)構(gòu)筏板式風(fēng)電基礎(chǔ)。該梁板結(jié)構(gòu)筏板式風(fēng)電基礎(chǔ)高3.7m，直徑19.8m，混凝土方量為394m3/基，鋼筋使用量為49.5t/基，屬于大體積混凝土[3]。雖然該風(fēng)電機(jī)組筏板基礎(chǔ)建設(shè)與舊有的模式相比，減少了一定量的混凝土與鋼筋使用量，但是建設(shè)工程較為復(fù)雜，混凝土的施工難度增加。該筏板式風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。

圖1 梁板結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)平面圖

2 風(fēng)電機(jī)組筏板基礎(chǔ)混凝土溫度場仿真分析

該風(fēng)電場筏板基礎(chǔ)采取特殊的工藝保溫措施，與傳統(tǒng)的在混凝土中加入冷卻管不同。本文將隨機(jī)選取一組筏板式風(fēng)電基礎(chǔ)進(jìn)行溫度場仿真分析以及對工程現(xiàn)場進(jìn)行溫控監(jiān)測，在筏板基礎(chǔ)厚度3.7m、1.8m 以及0.6m三個(gè)位置之間，在混凝土內(nèi)部與混凝土、筏板之間豎向設(shè)置兩組溫度測量點(diǎn)。

2.1 溫度場仿真測試

本文使用MIDAS/CIVIL 軟件對研究對象進(jìn)行基礎(chǔ)溫度場的數(shù)值模擬，研究筏板基礎(chǔ)混凝土對溫度應(yīng)力的變化。在建立溫度場仿真模型的過程中，以施工完成后的筏板實(shí)際尺寸與混凝土實(shí)際澆筑量為標(biāo)準(zhǔn)，因此模型高度為3.7m，由于筏板基礎(chǔ)分層建造，對其進(jìn)行更加細(xì)小的單元?jiǎng)澐?，通過56787 個(gè)單元以及40988 個(gè)節(jié)點(diǎn)的多點(diǎn)位方式更加準(zhǔn)確地分析溫度變化。

在進(jìn)行溫度場仿真開始前，混凝土模塊單元初始溫度以施工中的澆筑溫度為設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，土壤模塊單元由于無法確定施工初始溫度，則以研究現(xiàn)場所測量的溫度為初始溫度。風(fēng)電機(jī)組筏板的單位體積含水泥量為297kg/m3（包括其中加入的煤灰粉折算）。以此模型混凝土單元初始溫度為22℃開始進(jìn)行溫度場仿真。

2.2 溫度場計(jì)算理論

風(fēng)電機(jī)組筏板基礎(chǔ)混凝土在澆筑過程中以及在投入使用過程中，會(huì)發(fā)生水熱化反應(yīng)，受到外界溫度的影響以及工作強(qiáng)度的差異，混凝土自身會(huì)在不同條件下散發(fā)不同程度的熱量，如果散發(fā)熱量過大，有可能導(dǎo)致混凝土的開裂。通過對其熱傳導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算，可以獲得混凝土的溫度函數(shù)，這對于進(jìn)一步研究風(fēng)電機(jī)組筏板混凝土溫度場仿真以及溫度檢測的深入探究具有重要意義[5]。具體方程如下：

式中：T——溫度；

t——時(shí)間；

x、y、z——分別表示三維坐標(biāo)中的向量，由于空間與時(shí)間對混凝土溫度的影響條件較多，因此要想得到該方程的解，就需要對其中的條件進(jìn)行界定，即（x、y、z，0）=T0（x、y、z）。

2.3 溫度場仿真分析

由模擬軟件進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)混凝土3 處測溫處共9d 的溫度統(tǒng)計(jì)，選取每日的最高溫度與混凝土結(jié)構(gòu)表面平均溫度為表格數(shù)據(jù)。測溫位置如圖2所示。

圖2 墊層混凝土

混凝土不同位置溫控測點(diǎn)溫度場模擬見圖3 所示。根據(jù)圖 3 分析可以看出，3.7m、1.8m 以及 0.6m 厚度處的最高溫度在6.13d、6.34d、6.25d 出現(xiàn)，最高溫度均在75℃左右，此前溫度呈高速上漲趨勢發(fā)展，當(dāng)溫度到達(dá)峰值時(shí)，開始出現(xiàn)緩慢下降趨勢。而其表面溫度發(fā)展趨勢大致與最高溫度相同，但表面溫度值明顯低于同期最高溫度，且由表中數(shù)據(jù)計(jì)算可得出，風(fēng)電機(jī)組筏板基礎(chǔ)混凝土的表面溫度與最高溫度之差較低，保持在25℃以內(nèi)，因此可以看出這種構(gòu)造的混凝土結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)固，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的過程中具備一定的安全性[6]。

圖3 不同位置的溫度場模擬

3 風(fēng)電機(jī)組筏板基礎(chǔ)混凝土溫控監(jiān)測

風(fēng)電機(jī)組筏板基礎(chǔ)的混凝土在澆筑成功后，需通過對混凝土中心、表面的溫度以及與大氣之間的溫度差值進(jìn)行監(jiān)測，才能更加有效地進(jìn)行混凝土基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)，防治大體積混凝土水化熱反應(yīng)出現(xiàn)的開裂等現(xiàn)象，增強(qiáng)安全性，增加使用壽命。實(shí)時(shí)溫控監(jiān)測可以在筏板基礎(chǔ)的臺(tái)柱、中部以及底板中部等結(jié)構(gòu)部位安裝測溫孔，安裝測溫傳感裝置。監(jiān)測的頻次應(yīng)隨著混凝土狀態(tài)而改變，例如在混凝土的蓄熱養(yǎng)護(hù)期間，至少1h測量1次，在5d以后可以減少至每4h測量1次[7]。根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，隨機(jī)抽樣一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組溫度數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可知，在風(fēng)電機(jī)組混凝土溫度測量中，任何時(shí)段臺(tái)柱混凝土溫度都保持最高，并且在3d 左右達(dá)到最高峰值，此時(shí)臺(tái)柱混凝土溫度為68℃左右，而中部混凝土以及底板中部混凝土等部分的溫度明顯保持較低狀態(tài)，與大氣的溫差最高在20℃以內(nèi)。由此可以看出，風(fēng)電機(jī)組筏板基礎(chǔ)混凝土的溫度有所降低，與大氣之間的溫差也略有減小，從而也能夠在一定程度上減少混凝土內(nèi)部發(fā)生水熱化反應(yīng)的幾率，從而更具有安全性。

圖4 風(fēng)電機(jī)組混凝土溫度統(tǒng)計(jì)圖

4 防治筏板基礎(chǔ)混凝土溫度裂縫的措施

4.1 選擇良好的作業(yè)氣象環(huán)境

由于有一些筏板基礎(chǔ)工程未能規(guī)劃制定好施工方案，在實(shí)際混凝土澆筑時(shí)，可能在高溫或高寒條件下作業(yè)，導(dǎo)致作業(yè)氣象環(huán)境較為惡劣，容易出現(xiàn)較大的溫差。因此，應(yīng)盡量選擇溫差較小的季節(jié)進(jìn)行混凝土澆筑，如必須在冬季施工則需要對混凝土的出機(jī)溫度進(jìn)行測量，保持在30℃左右，入模溫度控制在10℃左右，盡量減小混凝土與大氣之間的溫度差[8]，降低水化熱的產(chǎn)生。

4.2 采用科學(xué)的混凝土澆筑方式

由上文風(fēng)電機(jī)組筏板基礎(chǔ)混凝土的溫度場仿真分析可知，采用分層澆筑的混凝土在保溫以及高度均勻等方面具有一定優(yōu)勢，在進(jìn)行大體積混凝土澆筑時(shí)，可以采用科學(xué)的分層澆筑，減緩混凝土塊體的溫度升高趨勢，注意保持混凝土的連續(xù)供應(yīng)，間隔時(shí)間合理，否則容易在澆筑過程中形成冷縫[9]。并且注意清除混凝土表面浸水，減小混凝土蜂窩狀況的發(fā)生。

4.3 采取有效的溫控保養(yǎng)措施

大體積混凝土合理的后期保養(yǎng)維護(hù)能夠預(yù)防開裂現(xiàn)象的出現(xiàn)?？梢栽诨炷两Y(jié)構(gòu)的上、中、下等部分安裝測溫孔，設(shè)置自動(dòng)溫度監(jiān)測裝置，在混凝土澆筑初期適當(dāng)增加溫度檢測頻率，在夜晚混凝土內(nèi)外溫差有所增加時(shí)，也需增加溫度監(jiān)測頻率，并且設(shè)置溫差報(bào)警裝置，混凝土內(nèi)部溫度與大氣溫差高于30℃時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警，引起維護(hù)人員的注意，以此來提高大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)效率[10-11]。

5 結(jié)束語

風(fēng)電機(jī)組筏板式混凝土基礎(chǔ)，具備大體積混凝土溫度應(yīng)力的特征，其施工難度較大。通過對混凝土澆筑量的控制以及分層澆筑等工藝的改進(jìn)，可有效提高筏板式基礎(chǔ)的安全性與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本文通過混凝土不同位置進(jìn)行溫度場仿真分析以及溫控監(jiān)測，更加有效地進(jìn)行混凝土基礎(chǔ)的澆筑及養(yǎng)護(hù)，防治大體積混凝土水化熱反應(yīng)出現(xiàn)的開裂等現(xiàn)象，增強(qiáng)安全性，增加使用壽命。本文獲得的經(jīng)驗(yàn)和成果可作為相似筏板式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)建設(shè)參考。