1.6 研究的主要成果和结论
1.6.1 厂房坝段混凝土三维跳仓浇筑施工过程实时仿真分析
该研究选取三峡水电站左岸厂房9号坝段作为典型坝段,使用自主开发的三维有限元施工仿真软件FZFX3D模拟施工过程,计算施工期和运行期的温度场和应力场。
9号坝段由实体坝段和钢管坝段组成,研究的方法是按照三峡工程厂房坝段混凝土的实际浇筑过程及浇筑时的气象资料,混凝土入仓温度,跳仓方案,冷却方式等基本参数,先对实体坝段已浇筑混凝土进行实时施工仿真分析,将计算温度与现场实测值对比,在对比的基础上确定一些难以量化的参数,再按照施工计划对整个实体坝段进行施工仿真计算,从而验证计算程序的可靠性。在实体坝段计算的基础上最后完成实时仿真计算的重点—钢管坝段的施工仿真分析。计算中对已浇筑混凝土按实际浇筑情况,待浇筑混凝土按施工计划。
该研究工作与常规施工仿真相比,其特点是:
(1)完善了自主开发的施工仿真程序,实现了三维跳仓浇筑和设置冷却水管,使程序更具实用性。
(2)采用大型通用软件ANSYS,通过接口程序使繁琐的前后处理变得简易可行,清楚明了。
(3)将施工期计算温度场与实测结果对比,过去没有人做过,对比结果吻合较好,并决定横缝边界采用绝热边界,使钢管坝段仿真计算温度场与实测结果对比吻合较好。
(4)在准确把握三峡水电站钢衬钢筋混凝土压力管道施工期温度场的前提下方可准确得到管坝的初始应力,混凝土徐变特性影响等定量的结果,这对消除人们的疑虑,指导工程设计和施工是有现实意义的。
施工过程仿真分析得到的主要结论如下:
(1)后期浇筑的管道总体对坝体影响不大,使坝踵产生拉应力的机会极小。
(2)经管道施工优化提出了具体的减小浇筑温度梯度的方法,指出下弯段可集中在低温季节浇筑,并采取冷却措施,斜直段及上弯段可不采用冷却措施,在夏季高温季节到来之前浇筑完毕,则可使浇筑期最高温度明显下降,减小温度梯度,从而降低混凝土在早龄期出现环向和轴向拉应力。
(3)管道浇筑时至坝体蓄水前初始环向拉应力,最大值出现在管腰外侧、斜直与下弯相接部位,蓄水前值为1.3~1.5MPa,斜直段轴向也出现较大拉应力,斜直段浇筑完14天为1~1.2MPa。
(4)徐变影响在整个施工期降低了混凝土的拉应力,属于有利影响,环向拉应力与管道浇筑完毕的初始应力相比降低35%左右。
(5)仿真分析可提供钢衬钢筋混凝土管道非线性分析时需要的初始温度场,按照管内水温参照库水温,管外为气温边界得到的准稳定温度场,可作为管道运行期应力分析的依据。
1.6.2 管道运行期温度对钢衬钢筋应力及缝宽影响研究
温度影响问题是过去没有解决,而工程上又十分关注的问题,而裂缝控制问题则是钢衬钢筋混凝土压力管道重要的、难以解决的技术问题,关系着管道的耐久性。足见对这个问题的研究在理论和实践上意义都是很大的。计算采用非线性功能较强的大型通用软件ANSYS,建立了带裂缝工作管道的有限元分析模型,并与大比尺 (1∶2)模型试验结果对照验证,计算过程充分挖掘大型软件ANSYS的非线性功能,是深入成功应用ANSYS的范例,带有创造性。
由于有限元计算模型成功解决了难度较大的种种黏结单元问题,如混凝土脆性材料的模拟,钢筋塑性模拟,混凝土与钢筋黏结模拟,与钢衬的接触模拟,裂缝面接触模拟等,使有限元计算结果与模型试验不仅在缝宽上有可比性,在变形和钢衬应力上都有可比性。计算得出的定量结果具有实用价值,如温度对缝宽的影响在0.01~0.1mm之间,对钢衬应力影响在±35MPa之间,该计算结果与大比尺模型试验结果是一致的。
1.6.3 常规公式法计算背管外包混凝土裂缝宽度
钢衬钢筋混凝土压力管道是允许带裂缝工作的一种结构,因此为保证结构的耐久性,必须对裂缝宽度进行验算。基于数理统计法和有无黏结滑移理论研究出来的常规混凝土结构裂缝宽度计算方法很多,常被用在钢衬钢筋混凝土压力管道计算的有:《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057—1996)、《港口工程设计规范》(JTJ220—1987)、陶然法、苏联 《水工建筑钢衬钢筋混凝土结构设计参考资料》(∏—780—83)、董哲仁法等。
21世纪初完成的《水电站压力管道设计规范》(DL/T 5141—2001)和(SL 281—2003),已将坝后背管的结构型式纳入规范。随着大量的试验研究和工程实践,对这种结构的认识更加普及和深入,提出一个坝后背管外包混凝土裂缝宽度的计算公式,条件已基本成熟。人们对坝后背管这种联合受力的钢衬钢筋混凝土结构的深入认识主要表现在如下几个方面:
(1)把钢管与外包钢筋混凝土作为整体结构设计的原则,即认为二者能可靠地联合工作,不存在原来设想的钢管发生灾难性破坏的可能性,已普遍为人们所接受,由此建立的计算方法中采用的结构强度安全系数在不断降低。
(2)大量的模型试验和结构计算使人们对钢衬钢筋混凝土结构的强度问题有了充分认识,如管道开裂前混凝土、钢衬、钢筋的承载比,初裂荷载,初裂位置,开裂后的钢材应力,结构极限承载力等。为了有效控制外包钢筋混凝土表面的轴向裂缝宽度,20世纪90年代后期建成的李家峡水电站和在建的三峡巨型水电站,都增加了外侧钢筋的用量。配筋的总原则倾向于苏联的做法:在满足总用钢量的前提下,尽量减少钢衬厚度,增加钢筋用量。结构计算的方法更加成熟,由西北勘测设计院开发的结构力学弹性中心法计算坝后背管已列入了《水电站压力钢管设计规范》(DL/T 5141—2001),并将该法由未开裂钢筋混凝土结构,推广至开裂的钢筋混凝土结构,使计算更加简便全面。平面和三维非线性有限元计算方法也有了新的突破。
(3)由原武汉水利电力大学和原葛洲坝水电工程学院合作完成的三峡坝后背管1∶2平面结构模型试验,其模型比尺是同类结构国内外已有模型中最大的,模型材料及结构做到完全仿真,并首次在大比尺仿真结构模型上成功地模拟了温度场和温度应力测试,即完成了温度荷载作用下的结构试验,填补了这类结构的一个空白。本研究对管道开裂后模型施加温度荷载进行了有限元计算,由此带动的这方面的研究,使人们对温度荷载作用下坝后背管钢材应力的变化和裂缝宽度的张合有了初步明确的认识和量化。
(4)随着20世纪70年代以来国内坝后背管工程建设经验的积累,人们对外包混凝土的开裂问题足够重视并深入研究。关于坝后背管外包混凝土裂缝问题的研究,西北勘测设计研究院在着重模型试验和理论分析的基础上另外开辟新途径,结合《水电站压力管道设计规范》坝后背管部分的编写,对国内外在建工程的实际裂缝情况进行收集、整理,对国内六个背管工程进行实地裂缝调查,其中对李家峡背管裂缝的原型观测长达4年7个月共82次,对实测调查的结果分析表明,每个工程无一例外地出现了混凝土裂缝,包括轴向缝和横向缝,最大缝宽达到了缝宽限制值0.3mm的2~7倍,认为仍然按一般钢筋混凝土的缝宽限制,对坝后背管加以限制是无法满足要求的,故未将该限制列入规范。李家峡裂缝观测又表明,水压缝宽仅是裂缝总宽度中的一小部分,全部缝宽可以划分为残留缝宽(即施工期的初始缝宽)、温度缝宽和水压缝宽,而残留缝宽又在逐年加大,这就在一定程度上揭示了坝后背管外包混凝土最大缝宽大大超过限制值0.3mm的原因。
《坝后背管外包混凝土裂缝宽度实用新算法研究》致力推导的实用简易便捷计算裂缝宽度的常规公式应能把人们对钢衬钢筋混凝土结构的深入认识概括进去,故在前人研究的基础上采用了半经验半理论的数理统计与黏结滑移理论相结合的研究方法,提出了 “外部管壁”力学模型,以适合管道外包混凝土外层钢筋配筋量的变化及裂缝沿径向是否裂穿的不同情况。管道钢材环向应力的计算考虑了混凝土泊松比对混凝土裂缝的影响。本研究为得到温度变化对裂缝的影响,采取先计算温度变化对管道径向位移的影响,再计算温度缝宽变化值,并计算值与三峡1∶2大比尺模型实测结果对比,误差约10%。本研究还对钢筋保护层内外裂缝宽度差进行了理论研究,为验证其正确性相应进行了试验研究,认为鉴于背管外包混凝土钢筋保护层较大,其内外裂缝宽度差应给以考虑。
按照本研究得到的计算公式,预测三峡优化设计方案在设计荷载作用下并考虑温度影响外层钢筋处最大裂缝宽度为2.6~3.4mm,表面最大缝宽达到2.9~3.8mm,建议取值为2.6mm。
1.6.4 用数值流形法进行裂缝宽度扩展计算
数值流形方法是20世纪90年代初提出的一种新的数值计算方法,该方法基于数学覆盖和物理覆盖体系定义流形单元,并建立相应的单元位移函数,由最小势能原理得到系统的平衡方程。与有限单元法相比其突出优点表现在能方便模拟固体介质的裂缝扩展。针对三峡水电站压力管道大比尺 (1∶2)平面结构模型这种钢衬钢筋混凝土组合结构给出了计算结果,裂缝宽度及形态的定量数值与模型试验有较好到对比性。
1.6.5 水电站钢衬钢筋混凝土压力管道三维非线性有限元分析
由于三峡水电站管道直径大,管道技术复杂,特别是管道混凝土开裂性状、裂缝宽度位置的不确定性,需要通过应力变形分析计算,搞清钢衬钢筋混凝土在施工、运行过程中的应力、变形分布情况,能为三峡水电站钢衬钢筋混凝土压力管道施工进度安排、运行性态预测提供依据。
本书在对三峡电站钢衬钢筋混凝土压力管道进行三维非线性有限元分析中有以下几点与以往有限元分析的不同:
(1)本书在处理如何通过载荷增量求解位移增量及应力增量时采用的是中点刚度法,该方法相当于求微分方程数值解的龙格-库塔法,计算精度较始点刚度法高。
(2)计算中采用了共轭梯度法,它充分利用总刚度矩阵[K]的稀疏性,计算时只需存储[K]中的非零元素,该方法的主要优点是存储量小,计算简单,计算速度快。共轭梯度法具有超线性收敛性,这是本计算计算方法的创新,也收到了很好的效果。
(3)在三维计算中,为了便于有限元网格剖分均匀和计算,对钢筋的分布进行了简化,用薄膜单元来模拟钢筋的配置。
(4)本次计算用8节点六面体等参单元来模拟坝体和管道混凝土及管道钢衬,在管道和坝体间混凝土也用8节点六面体等参单元来进行过渡,用4节点薄膜单元来模拟管道的3层钢筋。
根据对9号钢管坝段的9个典型剖面的应力变形分析可以得出以下结论:
(1)在内水压力作用下,从上游至下游(水流方向),压力管道各剖面环向应力均为拉应力,其最大值从24.1MPa增至151.3MPa,一般出现在管腰以上45°部位附近;径向应力主要为压应力,其最大值从19.8MPa增至66.5MPa;同样由于管道自重在轴向上的分量和水流作用下管道钢衬的轴向应力从上游至下游在管腰及以上的局部部位出现了拉应力,其最大值由1.24MPa增至41.2MPa,钢衬外围混凝土和钢筋的应力均为压应力。
(2)同样在内水压力作用下,压力管道最大环向应力出现在斜直2末端剖面的管道管腰以上45°位置,所以此剖面不但是压力管道最典型的剖面,也是压力管道最为危险的剖面,此剖面的混凝土也最容易开裂,从计算得到的该剖面压力管道的开裂区域图也可以看出,本剖面开裂的部位较多。有限元计算分析的结果和模型试验的结果是比较吻合的。
(3)从有限元计算成果分析可以看出,在上弯3到斜直2末端这4个剖面中,当荷载增加到20级(其对应水位和内水压力分别为119.6m和0.68MPa)时,该管道混凝土的拉应力最大值超过了混凝土的抗拉强度,外包混凝土开始出现裂缝,计算模型进入非线性阶段,钢筋所承受的应力突然增加,而在其他几个剖面,管道混凝土出现开裂现象的内水压力都是在荷载增加到22级(其对应水位和内水压力分别为137.0m和0.84MPa)时。
(4)在内水压力荷载作用下管道变形是由下游至上游逐渐减小,管道的最大径向位移由3.46mm减至0.45mm。
(5)压力管道在坝后出露部位较多的剖面中,其外包混凝土开裂的区域较多,混凝土出现裂缝的可能性较大,上弯3、斜直1和斜直2这三个剖面的混凝土开裂是最严重的剖面。而其他剖面中由坝体混凝土和管道混凝土共同来抵抗水荷载,所以开裂区较其他上述三个剖面的要少。
(6)由于坝后背管的存在,管道和坝体连在一起而改变了局部坝体的刚度,但通过计算分析可以得出,管道的存在对坝体混凝土的应力影响很小,应力水平很小,管道外围坝体混凝土的应力值为6.18MPa,坝踵附近混凝土的应力值为0,坝体应力均为压应力,这个计算结果与仿真分析的结果是一致的。
(7)从钢筋应力分布图可以看出,压力管道的最大环向拉应力值主要由钢衬来承担,钢衬外围的钢筋受力相对较小,但钢衬和钢筋的应力远没有达到钢材的抗拉强度,钢衬和钢筋均处在弹性受力阶段。虽然混凝土有开裂现象,根据钢筋所受的最大环向拉应力值为88.4MPa可计算得混凝土可能的最大轴向裂缝宽度为2.07mm,所受的最大轴向拉应力值为21.2MPa可计算的混凝土可能的最大环向裂缝宽度为0.49mm,接近和超过了规范的要求,但管道钢衬和钢筋的应力相对较小,管道结构是不会破坏,是安全的,同时也证明了管道结构设计是合理的。
1.6.6 大坝背管混凝土裂缝全局优化网络的预测研究
一般来说,导致大坝背管外包混凝土开裂的因素很多,从结构本身的角度来说不同直径管道钢衬钢筋有不同的配置,主要取决于安全系数的取值,管道承受的主要荷载即内水压力的大小,还有对裂缝开度限制的思路等,外包混凝土的厚度对缝宽和裂缝间距也有影响;从施工的角度,在混凝土浇筑初期产生的温度应力场,当应力超过早龄期混凝土强度时会产生施工期裂缝,或称初始缝隙;在运行期管道除承受主要荷载内水压力外,温度变化对缝宽的影响及坝体应力的作用都是不可忽视的。经分析本研究充分利用了BP网络中的全局优化算法的模型实施容易,运行速度较快,误差修正方便,计算精度高的优点,重点研究了水头变化对缝宽的影响,采用最大水头、钢管半径、平均管壁厚度、最大环筋折算厚度、外包混凝土厚度和最大缝宽作为输入、输出,确定网络模型的结构为5.6.1型,预测三峡水电站钢衬钢筋混凝土压力管道裂缝随着水位上升到最高,最大缝宽为1.13mm。