基于ANSYS的換流變基礎(chǔ)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力仿真分析

江 飛，陳傳新，陳 寅

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

基于ANSYS的換流變基礎(chǔ)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力仿真分析

江 飛，陳傳新，陳 寅

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

大體積混凝土因水化熱產(chǎn)生梯度溫度，普遍容易出現(xiàn)溫度裂縫，危害結(jié)構(gòu)安全。文中根據(jù)三維熱傳導(dǎo)理論，運(yùn)用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，針對(duì)某±800 kV換流站換流變基礎(chǔ)齡期10天內(nèi)的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力進(jìn)行仿真計(jì)算，為該基礎(chǔ)以及今后類(lèi)似工程大體積混凝土設(shè)計(jì)、施工中進(jìn)行溫控防裂提供有益借鑒。

大體積混凝土；換流變基礎(chǔ)；溫度梯度；溫度應(yīng)力；ANSYS。

在特高壓變電站和換流站建設(shè)中，為節(jié)約建設(shè)用地，嚴(yán)格控制基礎(chǔ)不均勻沉降，對(duì)電壓等級(jí)高、體量大、重量重的電氣設(shè)備往往采用整板基礎(chǔ)，如GIS組合設(shè)備基礎(chǔ)、變壓器組基礎(chǔ)等。大量工程實(shí)踐表明，大體積混凝土普遍存在開(kāi)裂問(wèn)題，且裂縫一般在混凝土澆筑完成后短期內(nèi)形成，此時(shí)上部荷載尚未作用于基礎(chǔ)上，因此該裂縫主要是由混凝土的水化熱產(chǎn)生的梯度溫度引起的。裂縫一旦形成，它會(huì)降低結(jié)構(gòu)的耐久性，削弱構(gòu)件的承載力，特別是基礎(chǔ)貫穿裂縫，嚴(yán)重危害到結(jié)構(gòu)的安全使用。本文以國(guó)內(nèi)某±800 kV換流站換流變基礎(chǔ)為依托，采用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行相關(guān)水化熱仿真計(jì)算。

1 ANSYS溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力分析過(guò)程

采用ANSYS建立有限元模型，先根據(jù)三維熱傳導(dǎo)理論完成熱分析，將得到的溫度場(chǎng)作為荷載施加到結(jié)構(gòu)分析中，轉(zhuǎn)化熱分析單元為結(jié)構(gòu)單元，根據(jù)材料的力學(xué)特性設(shè)置荷載步，讀取相應(yīng)的溫度荷載求解溫度應(yīng)力。

1.1 溫度場(chǎng)分析簡(jiǎn)介

混凝土澆筑后水泥水化放熱傳導(dǎo)，在結(jié)構(gòu)中形成瞬態(tài)溫度場(chǎng)，該溫度場(chǎng)受多種因素影響，

如混凝土本身材料特性、澆筑過(guò)程、結(jié)構(gòu)形式、外界氣候條件、溫控及養(yǎng)護(hù)措施等。瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算實(shí)質(zhì)上是三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程在特定邊界條件和初始條件的求解，混凝土三維熱傳導(dǎo)方程為：

式中：λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)(kJ/m·h·℃)；C為混凝土的比熱(kJ/kg·℃)；ρ為混凝土密度(kg/m3)；Tt為絕熱條件下齡期t時(shí)混凝土的絕熱溫升(℃)，Tt根據(jù)美國(guó)墾務(wù)局提出的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Th為混凝土的最終絕熱溫升(℃)；mc為水泥每千克水化熱(kJ/kg)；Q為每立方米混凝土中的水泥用量(kg/m3)；e為常數(shù)，取2.71828；M為隨混凝土澆筑溫度、水泥品種等因素而異的系數(shù)。實(shí)際工程中，由于存在邊界對(duì)流，混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)按非絕熱溫升估算：

式中：Tct為齡期t時(shí)混凝土內(nèi)部實(shí)際溫度(℃)；Tc為混凝土內(nèi)部最高實(shí)際溫度(℃)；Tf為混凝土澆筑溫度(℃)；Tlt為齡期t時(shí)混凝土非絕熱溫升(℃)；Tl為混凝土內(nèi)部最終非絕熱溫升(℃)；?為溫降系數(shù)，隨澆筑塊厚度與混凝土齡期而異，經(jīng)大量實(shí)踐表明，?一般可按表1取值。

表1 溫降系數(shù)ξ取值

一般認(rèn)為，混凝土澆筑塊體的里表溫差不宜超過(guò)25℃，否則需采取相應(yīng)的溫控措施。

1.2 溫度應(yīng)力分析簡(jiǎn)介

混凝土澆筑后，內(nèi)部因水化放熱形成溫度場(chǎng)，在特定的邊界條件和外部約束下，因材料的熱脹屬性產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到或大于同時(shí)期混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)便產(chǎn)生溫度裂縫。

現(xiàn)澆混凝土在低齡期時(shí)處于塑性狀態(tài)，其彈性模量隨著時(shí)間迅速上升，可用表達(dá)式(5)進(jìn)行計(jì)算：

式中：Et為齡期t時(shí)混凝土彈性模量(MPa)；E0

為齡期28 d時(shí)混凝土彈性模量(MPa)。

相應(yīng)地，混凝土強(qiáng)度的發(fā)展與齡期的關(guān)系為：

式中：ft為齡期t(d)時(shí)混凝土的強(qiáng)度(MPa)；f0為齡期為28 d時(shí)混凝土的強(qiáng)度(MPa)。

2 實(shí)例分析

2.1 工程背景

在國(guó)內(nèi)某±800 kV換流站低端換流變基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，為滿(mǎn)足強(qiáng)度和不均勻沉降要求，基礎(chǔ)設(shè)置現(xiàn)澆鋼筋混凝土底板，擬先澆筑，預(yù)留防火墻及換流變本體基礎(chǔ)插筋后續(xù)澆筑。底板平面尺寸為67.6 m×19.8 m，厚度為1 m。基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，擬采用42.5標(biāo)號(hào)普通硅酸鹽水泥。根據(jù)大量實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，普通硅酸鹽水泥M值及水化熱mc值分別見(jiàn)表2和表3。

表2 普通硅酸鹽水泥M值

表3 普通硅酸鹽水泥水化熱

2.2 有限元模型的建立

物體溫度的三維熱傳導(dǎo)方程式(1)體現(xiàn)了溫度場(chǎng)與時(shí)間、空間的復(fù)雜關(guān)系，有無(wú)窮多解，需給出確切的初始條件和邊界條件才能求得特定需要的溫度場(chǎng)。根據(jù)項(xiàng)目施工組織計(jì)劃，該基礎(chǔ)計(jì)劃于4～5月施工，故假定混凝土澆筑入模溫度為30 ℃，氣溫25 ℃，每立方米混凝土的水泥用量為400 kg，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)λ取300 kJ/m·h·℃，比熱C值取0.97 kJ/kg·℃。

采用三維實(shí)體熱單元SOLID 70模擬混凝土基礎(chǔ)，由于基礎(chǔ)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以取其1/4進(jìn)行仿真計(jì)算，即平面尺寸為33.8 m×9.9 m，厚度為1 m，在2個(gè)對(duì)稱(chēng)面施加絕熱邊界條件，并根據(jù)混凝土材料屬性隨時(shí)間變化規(guī)律設(shè)置荷載步，加載時(shí)間10 d，步長(zhǎng)取0.5 d，讀取相應(yīng)的溫度荷載求解溫度應(yīng)力。該有限元模型共劃分4570個(gè)節(jié)點(diǎn)、3360個(gè)單元，建模采用的溫度(℃)、長(zhǎng)度(m)和力(N)。

2.3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

讀取不同荷載步有限元計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)圖1，為齡期3 d時(shí)有限元模型的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，圖2顯示了齡期3 d時(shí)有限元模型絕熱邊界處(即基礎(chǔ)對(duì)稱(chēng)截面)的水化熱溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。圖中溫度單位為攝氏度(℃)，應(yīng)力為第一主應(yīng)力，單位為(N/m2)。

圖1 齡期3 d時(shí)水化熱溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)

圖2 齡期3 d時(shí)絕熱邊界處水化熱溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)

混凝土基礎(chǔ)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及抗拉強(qiáng)度隨齡期發(fā)展而變化，在不同齡期的有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

有限元模型計(jì)算得到的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)表明，模型外表面邊緣處溫度最低，約為氣溫25℃，核心內(nèi)部溫度逐漸升高，相應(yīng)地，溫度應(yīng)力的極值出現(xiàn)在模型表面邊緣處，核心內(nèi)部拉應(yīng)力逐漸減小。有限元模型最大溫差和最大拉應(yīng)力隨齡期發(fā)展的變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖3。

(1)在齡期為3 d時(shí)，模型的溫差最大，即溫度梯度最大。大量實(shí)踐表明，一般情況下大體積混凝土水化熱的溫度梯度峰值約出現(xiàn)在澆筑后3 d，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際基本一致。

(2)溫度梯度在初期達(dá)到峰值后便逐步減小，最大拉應(yīng)力的變化趨勢(shì)與溫度梯度基本吻合，在澆筑初期迅速增大，達(dá)到峰值后逐漸減小，其變化速率相對(duì)較緩慢。

表4 不同齡期時(shí)有限元模型計(jì)算結(jié)果

圖3 最大溫差和最大拉應(yīng)力隨齡期變化趨勢(shì)圖

(3)在齡期10 d內(nèi)，模型的最大拉應(yīng)力基本都大于或達(dá)到混凝土在相應(yīng)齡期時(shí)的抗拉強(qiáng)度，即基礎(chǔ)將出現(xiàn)裂縫。

現(xiàn)假定添加外加劑，優(yōu)化混凝土配合比，在保證混凝土強(qiáng)度和施工性前提下，每立方米混凝土的水泥用量由400 kg減為300 kg，其余參數(shù)不變，建模進(jìn)行對(duì)比分析。齡期3 d時(shí)有限元對(duì)比模型的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布見(jiàn)圖4。

圖4 優(yōu)化配合比后齡期3 d時(shí)水化熱溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)

和圖2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在每立方米混凝土的水泥用量由400 kg減為300 kg的條件下，齡期3 d時(shí)基礎(chǔ)的最高溫度由44.588℃減為39.778℃，最大溫差由19.48℃減為14.70℃，最大拉應(yīng)力由2.23×106N/m2減為1.69×106N/m2。對(duì)比分析各荷載步計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度梯度和溫度應(yīng)力均相應(yīng)減小，其隨齡期發(fā)展的變化趨勢(shì)基本一致，同樣在齡期為3 d時(shí)達(dá)到最大值，且在齡期9 d時(shí)其最大拉應(yīng)力已不大于混凝土的抗拉強(qiáng)度。因此，減少水泥用量，對(duì)于大體積混凝土溫控防裂效果顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以±800 kV換流站低端換流變基礎(chǔ)為研究對(duì)象，采用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力分析，得出結(jié)論如下：

(1)在齡期為3 d時(shí)，基礎(chǔ)的內(nèi)外溫差最大，最大可達(dá)19.48 ℃；

(2)溫度梯度在澆筑初期(3 d左右)迅速增大，達(dá)到峰值后便逐步減小，其減小變化速率相對(duì)較緩慢，基礎(chǔ)的最大拉應(yīng)力的變化趨勢(shì)與溫度梯度基本吻合。

(3)在齡期10 d內(nèi)，基礎(chǔ)的最大拉應(yīng)力均不小于混凝土在相應(yīng)齡期時(shí)的抗拉強(qiáng)度，基礎(chǔ)將出現(xiàn)裂縫，應(yīng)采取相應(yīng)措施控制施工期間溫度裂縫。

(4)在基礎(chǔ)混凝土中摻加抗裂纖維素，以增強(qiáng)其早期抗拉強(qiáng)度；施工時(shí)采用低水化熱的礦渣硅酸鹽水泥；添加粉煤灰和外加劑，優(yōu)化配合比以減少水泥用量等控制措施均能較好的控制基礎(chǔ)溫度裂縫的產(chǎn)生。

大體積混凝土存在的溫度裂縫問(wèn)題，應(yīng)以預(yù)防為主。通過(guò)ANSYS熱分析功能，能較直觀、合理地模擬分析現(xiàn)澆混凝土的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力，并通過(guò)設(shè)置不同材料屬性和邊界條件進(jìn)行對(duì)比分析，從而對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中采用合理有效的溫控防裂措施提供有益借鑒。

[1] 張朝暉．ANSYS熱分析教程與實(shí)例分析[M]．北京:中國(guó)鐵道出版社，2007．

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[4] 劉睫，陳兵．大體積混凝土水化熱溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J]．混凝土與水泥制品，2010，15(5)．

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Simulation Analysis of Temperature Field and Temperature Stress for Converter Transformer Foundation Based on ANSYS

JIANG Fei, CHEN Chuan-xin, CHEN Yin
(Central Southern China Electric Power Design Institute Co., Ltd
of China Power Engineering Consulting Group Corporation, Wuhan 430071, China)

The hydrated heat of cement would cause temperature cracks generally in massive concrete, and the cracks harm the concrete structure.In this paper, the finite element model of converter transformer foundation in a ±800kV converter station was established by using the program ANSYS, to analyze the hydrated heat temperature field and temperature stress of this concrete foundation in 10 days after pouring, and the analysis results provided some useful reference for designing and constructing to prevent the temperature cracks.

mass concrete; converter transformer foundation; temperature gradient; temperature stress; ANSYS.

TM63

A

1671-9913(2017)03-0049-04

2016-01-21

徐江飛(1986- )，男，湖北武漢人，工學(xué)碩士，從事變電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。