火電廠主廠房混凝土結(jié)構(gòu)溫變響應(yīng)研究

謝信江, 常顯勇, 漆 檜, 劉 翔, 杜 喬

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司， 四川成都 610041)

·工程結(jié)構(gòu)·

火電廠主廠房混凝土結(jié)構(gòu)溫變響應(yīng)研究

謝信江, 常顯勇, 漆 檜, 劉 翔, 杜 喬

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司， 四川成都 610041)

建筑結(jié)構(gòu)在溫度效應(yīng)方面的計(jì)算由于還未有統(tǒng)一的規(guī)定，加上現(xiàn)有的綜合溫差法和均勻溫差法得到的數(shù)值不符合工程實(shí)際情況。針對上述問題，文章以某火電廠主廠房為例在分析其混凝土結(jié)構(gòu)溫變響應(yīng)的基礎(chǔ)上提出針對性的控制溫度以及收縮效應(yīng)的措施，為大中型火電廠主廠房混凝土結(jié)構(gòu)布置提供了有效建議和良好參考。

火電廠; 主廠房； 混凝土; 結(jié)構(gòu)； 溫變響應(yīng)

極端氣候的反復(fù)出現(xiàn)，溫度作用對建筑結(jié)構(gòu)的影響越來越受到人們的重視。這是因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)在自然環(huán)境中受到氣溫的影響會產(chǎn)生較大的溫度變形。當(dāng)溫度變形受到約束，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。但現(xiàn)有的綜合溫差法和均勻溫差法得到的數(shù)值不符合工程實(shí)際情況。目前，一般的大型火電廠主廠房都是采用現(xiàn)澆鋼筋框架結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中并未對溫度效應(yīng)進(jìn)行過系統(tǒng)的計(jì)算。另外也是由于受到工藝限制，目前的溫度應(yīng)力問題已經(jīng)成為了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主廠房的主要問題。分析與研究溫度效應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)的影響對實(shí)際建設(shè)有著重要意義。

1 火電廠主廠房混凝土結(jié)構(gòu)溫變響應(yīng)分析

(1)由于大型火電廠的梁柱截面尺寸較大，其溫度收縮作用產(chǎn)生的溫度效應(yīng)一般都大于普通建筑物。在對主廠房進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的過程中，以某一大型火電廠主廠房作為研究對象，建立有限元模型，對主廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

該大型火電廠主廠房混凝土結(jié)構(gòu)采用的是雙框架三列式常規(guī)布置方案。上部結(jié)構(gòu)使用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，廠房樓面梁采用鋼梁-現(xiàn)澆鋼筋混凝土板組合梁結(jié)構(gòu)，汽機(jī)房使用實(shí)腹鋼梁，平臺使用的是混凝土框架，次梁為鋼梁。上鋪壓型鋼板底模使用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板。主廠房的主要設(shè)計(jì)參數(shù)信息見表1。

表1 某火電廠主廠房主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(2)建立空間計(jì)算模型。在遵循模型簡化原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元模擬單元的選取以及參數(shù)的設(shè)置。在單元選取中，框架單元的節(jié)點(diǎn)自由度包括3個(gè)平動自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動自由度。在平面和三維的建模過程中，梁柱使用框架單元。之后進(jìn)行模型的計(jì)算溫差確定。針對季節(jié)溫差的確定，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]和資料[2]其數(shù)值取Ty=±27℃。收縮當(dāng)量溫差的確定為-21℃，綜合溫差的取值為48℃，計(jì)算溫差為10℃。

(3)進(jìn)行有限元計(jì)算。考慮到大型火電廠是一個(gè)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，因此采用平面與空間對比分析的方式，分析其溫度效應(yīng)。通過系列計(jì)算其平面模型，可以得知在溫度作用下，梁柱的內(nèi)力主要體現(xiàn)在底部，越往上迅速遞減。出現(xiàn)這個(gè)結(jié)果的原因在于底部的梁柱比上部受到的基礎(chǔ)約束力更大，而隨著約束力作用的減小，梁柱的溫度內(nèi)力也在減小。從結(jié)構(gòu)布置的角度分析，其產(chǎn)生的溫度內(nèi)力呈現(xiàn)出完全對稱的特點(diǎn)，因此可以得到結(jié)構(gòu)的布置決定了溫度的內(nèi)力分布。另外，當(dāng)梁柱截面不斷增加的過程中，其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度內(nèi)力也隨之增加[3]。

從空間模型的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在整體均勻的溫度收縮作用下，在橫向框架結(jié)構(gòu)中同樣會發(fā)生溫度變形的影響，加上樓板的約束作用使得框架結(jié)構(gòu)在溫度收縮作用下的內(nèi)力分布發(fā)生變化。從中分析可以發(fā)現(xiàn)，空間計(jì)算各列縱向的軸力和彎矩圖改變了以往的分布方式，不再是對稱分布，溫度效應(yīng)按照空間剛度的規(guī)律在發(fā)生相應(yīng)的變化。以中部梁最大軸力區(qū)域分布，不再是整體對稱。

將平面模型與空間模型的結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的分布受到空間梁單元和板單元的影響后，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳力路徑發(fā)生變化?？臻g計(jì)算結(jié)果隨著結(jié)構(gòu)空間剛度變化而變化，不再是對稱分布。與平面模型比較，梁軸力根據(jù)樓蓋剛度的變化而發(fā)生較大變化。通過一系列的比較發(fā)生，對溫度作用進(jìn)行平面分析與空間分析其得到的結(jié)果是存在差異的，其中空間結(jié)構(gòu)作用能夠更好的反應(yīng)出結(jié)構(gòu)實(shí)際作用。

(4)分析不同長度的結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)。一般情況下，在溫度收縮作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠自由膨脹或者收縮，則不會產(chǎn)生內(nèi)力。當(dāng)結(jié)構(gòu)越長，其溫度效應(yīng)就越大。溫度應(yīng)力的大小直接取決于框架柱抗側(cè)移剛度的大小。通過分析70 m以及110 m空間模型變形以及內(nèi)力分布，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力與施加的溫度作用的大小成正比關(guān)系，當(dāng)計(jì)算溫差數(shù)值越大時(shí)，其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力也就越大。當(dāng)結(jié)構(gòu)長度的增加，其內(nèi)力的增幅也變大。

2 有效控制溫度以及收縮效應(yīng)的措施

2.1 適當(dāng)減小混凝土的收縮量

減小混凝土的收縮量，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：(1)應(yīng)該盡量選擇中、低強(qiáng)度等級的混凝土，從而削減其水化熱與收縮；(2)應(yīng)該選擇彈性模量較大的粗骨料；(3)選擇合適的水泥品種，如采用補(bǔ)償收縮混凝土。主要是從降低混凝土收縮量的角度考慮選擇普通硅酸鹽水泥或者粉煤灰水泥；(4)工藝方面，應(yīng)該適當(dāng)減少水泥用量，增加粗骨料的用量以及降低水灰比，或合理使用外加劑[4]。(5)從施工的角度，應(yīng)該選擇二次投料的預(yù)拌水泥砂漿法。在混凝土拌合的過程中可以隨時(shí)冷卻降低其澆筑溫度。施工過程中需要對混凝土進(jìn)行充分的振搗，有效提高其密實(shí)性，減少其孔隙率。

2.2 減小溫度效應(yīng)的具體措施

應(yīng)根據(jù)火電廠主廠房的特點(diǎn)，將原本的框架底層縱向梁變成鋼梁。鋼梁與框架使用鉸接的方式，并在每一列縱向框架的底層設(shè)置兩道柱間支撐。在底層縱向框架梁上適當(dāng)柱間設(shè)置滑動區(qū)段，該區(qū)段內(nèi)的樓面鋼梁可以采用滑動支座與框架梁柱連接[3]。同時(shí)，應(yīng)該盡可能的減小在正常的工況情況下出現(xiàn)的梁受拉的軸力值。利用結(jié)構(gòu)空間作用，可以在不增大梁截面尺寸的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加水平構(gòu)件的剛度。可在結(jié)構(gòu)超長方向適當(dāng)加大布置縱向通長鋼筋以抵抗拉壓溫度應(yīng)力。充分利用鋼材和混凝土材料線膨脹系數(shù)的不同，同時(shí)避免結(jié)構(gòu)斷面的突變，適當(dāng)加強(qiáng)樓板的配筋，做好廠房的外墻保溫和屋面保溫措施。加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)工作也是有效減少溫度效應(yīng)的措施。使用水平淋水管或者自動噴水管對長梁、長墻等構(gòu)件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。在完成了混凝土的澆筑工作之后，使用鋪濕麻袋、淋水等措施進(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù)，其養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)該超過30 d?；蛘呤窃诮Y(jié)構(gòu)表面噴刷養(yǎng)護(hù)劑，防止其水分的蒸發(fā)。

通過設(shè)置伸縮縫將整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為幾個(gè)單獨(dú)的個(gè)體，每一個(gè)個(gè)體能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立變形，從而降低了結(jié)構(gòu)的約束程度，有效減輕甚至避免開裂。另外還可以設(shè)置后澆帶或膨脹加強(qiáng)帶。后澆帶能夠釋放早期的混凝土收縮應(yīng)力，減少了以收縮為主的變形。

3 結(jié)束語

本文以某大型火電廠主廠房混凝土結(jié)構(gòu)的溫變響應(yīng)為研究，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行了有限元分析，得出溫度效應(yīng)對主廠房混凝土結(jié)構(gòu)的影響，并從設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)、施工等多個(gè)方面提出了能夠減小溫度響應(yīng)的措施，旨在為實(shí)際的工程建設(shè)提供切實(shí)可行的理論參考。但是由于大型火電廠主廠房的構(gòu)件內(nèi)部存在溫度梯度，得到的有限元模擬情況與實(shí)際情況會存在一定偏差，因此在這個(gè)方面還需要更加深入的研究。

[1] GB 50906-2013 機(jī)械工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 代慧娟,白國良,朱佳寧,等.火電廠主廠房混凝土結(jié)構(gòu)溫變效應(yīng)研究[J].工業(yè)建筑,2013,17(1):32-37.

[3] 高颯，陳其春，鄢明章. 1000MW機(jī)組火電主廠房框架結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算與分析——浙江國華寧海電廠二期工程主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版,2007,10(40):166-169.

[4] 李琪,方偉定，王學(xué)民,等.主廠房溫度作用分析研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版,2010,8(43):13-17.

2015-11-18

謝信江(1984～)，男，碩士，工程師，從事電力土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

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