火電廠主廠房混凝土結構溫變響應研究

謝信江, 常顯勇, 漆 檜, 劉 翔, 杜 喬

(四川電力設計咨詢有限責任公司， 四川成都 610041)

·工程結構·

火電廠主廠房混凝土結構溫變響應研究

謝信江, 常顯勇, 漆 檜, 劉 翔, 杜 喬

(四川電力設計咨詢有限責任公司， 四川成都 610041)

建筑結構在溫度效應方面的計算由于還未有統一的規定，加上現有的綜合溫差法和均勻溫差法得到的數值不符合工程實際情況。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構溫變響應的基礎上提出針對性的控制溫度以及收縮效應的措施，為大中型火電廠主廠房混凝土結構布置提供了有效建議和良好參考。

火電廠; 主廠房； 混凝土; 結構； 溫變響應

極端氣候的反復出現，溫度作用對建筑結構的影響越來越受到人們的重視。這是因為混凝土結構在自然環境中受到氣溫的影響會產生較大的溫度變形。當溫度變形受到約束，其結構構件就會產生溫度應力。但現有的綜合溫差法和均勻溫差法得到的數值不符合工程實際情況。目前，一般的大型火電廠主廠房都是采用現澆鋼筋框架結構，在實際的設計過程中并未對溫度效應進行過系統的計算。另外也是由于受到工藝限制，目前的溫度應力問題已經成為了鋼筋混凝土結構主廠房的主要問題。分析與研究溫度效應對混凝土結構的影響對實際建設有著重要意義。

1 火電廠主廠房混凝土結構溫變響應分析

(1)由于大型火電廠的梁柱截面尺寸較大，其溫度收縮作用產生的溫度效應一般都大于普通建筑物。在對主廠房進行結構分析的過程中，以某一大型火電廠主廠房作為研究對象，建立有限元模型，對主廠房結構進行分析。

該大型火電廠主廠房混凝土結構采用的是雙框架三列式常規布置方案。上部結構使用現澆鋼筋混凝土框架結構，廠房樓面梁采用鋼梁-現澆鋼筋混凝土板組合梁結構，汽機房使用實腹鋼梁，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澆鋼筋混凝土板。主廠房的主要設計參數信息見表1。

表1 某火電廠主廠房主要設計參數

(2)建立空間計算模型。在遵循模型簡化原則的基礎上進行有限元模擬單元的選取以及參數的設置。在單元選取中，框架單元的節點自由度包括3個平動自由度和3個轉動自由度。在平面和三維的建模過程中，梁柱使用框架單元。之后進行模型的計算溫差確定。針對季節溫差的確定，結合相關設計規范[1]和資料[2]其數值取Ty=±27℃。收縮當量溫差的確定為-21℃，綜合溫差的取值為48℃，計算溫差為10℃。

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

從空間模型的計算發現，結構在整體均勻的溫度收縮作用下，在橫向框架結構中同樣會發生溫度變形的影響，加上樓板的約束作用使得框架結構在溫度收縮作用下的內力分布發生變化。從中分析可以發現，空間計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，溫度效應按照空間剛度的規律在發生相應的變化。以中部梁最大軸力區域分布，不再是整體對稱。

將平面模型與空間模型的結果對比，發現結構剛度的分布受到空間梁單元和板單元的影響后，導致結構傳力路徑發生變化。空間計算結果隨著結構空間剛度變化而變化，不再是對稱分布。與平面模型比較，梁軸力根據樓蓋剛度的變化而發生較大變化。通過一系列的比較發生，對溫度作用進行平面分析與空間分析其得到的結果是存在差異的，其中空間結構作用能夠更好的反應出結構實際作用。

(4)分析不同長度的結構的溫度效應。一般情況下，在溫度收縮作用下，當結構構件能夠自由膨脹或者收縮，則不會產生內力。當結構越長，其溫度效應就越大。溫度應力的大小直接取決于框架柱抗側移剛度的大小。通過分析70 m以及110 m空間模型變形以及內力分布，發現結構產生的內力與施加的溫度作用的大小成正比關系，當計算溫差數值越大時，其結構產生的內力也就越大。當結構長度的增加，其內力的增幅也變大。

2 有效控制溫度以及收縮效應的措施

2.1 適當減小混凝土的收縮量

減小混凝土的收縮量，主要從以下幾個方面進行：(1)應該盡量選擇中、低強度等級的混凝土，從而削減其水化熱與收縮；(2)應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，應該適當減少水泥用量，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，應該選擇二次投料的預拌水泥砂漿法。在混凝土拌合的過程中可以隨時冷卻降低其澆筑溫度。施工過程中需要對混凝土進行充分的振搗，有效提高其密實性，減少其孔隙率。

2.2 減小溫度效應的具體措施

應根據火電廠主廠房的特點，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置兩道柱間支撐。在底層縱向框架梁上適當柱間設置滑動區段，該區段內的樓面鋼梁可以采用滑動支座與框架梁柱連接[3]。同時，應該盡可能的減小在正常的工況情況下出現的梁受拉的軸力值。利用結構空間作用，可以在不增大梁截面尺寸的基礎上適當增加水平構件的剛度。可在結構超長方向適當加大布置縱向通長鋼筋以抵抗拉壓溫度應力。充分利用鋼材和混凝土材料線膨脹系數的不同，同時避免結構斷面的突變，適當加強樓板的配筋，做好廠房的外墻保溫和屋面保溫措施。加強養護工作也是有效減少溫度效應的措施。使用水平淋水管或者自動噴水管對長梁、長墻等構件進行養護。在完成了混凝土的澆筑工作之后，使用鋪濕麻袋、淋水等措施進行潮濕養護，其養護時間應該超過30 d。或者是在結構表面噴刷養護劑，防止其水分的蒸發。

通過設置伸縮縫將整個結構劃分為幾個單獨的個體，每一個個體能夠實現獨立變形，從而降低了結構的約束程度，有效減輕甚至避免開裂。另外還可以設置后澆帶或膨脹加強帶。后澆帶能夠釋放早期的混凝土收縮應力，減少了以收縮為主的變形。

3 結束語

本文以某大型火電廠主廠房混凝土結構的溫變響應為研究，結合實際情況進行了有限元分析，得出溫度效應對主廠房混凝土結構的影響，并從設計、養護、施工等多個方面提出了能夠減小溫度響應的措施，旨在為實際的工程建設提供切實可行的理論參考。但是由于大型火電廠主廠房的構件內部存在溫度梯度，得到的有限元模擬情況與實際情況會存在一定偏差，因此在這個方面還需要更加深入的研究。

[1] GB 50906-2013 機械工業廠房結構設計規范[S].

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

[3] 高颯，陳其春，鄢明章. 1000MW機組火電主廠房框架結構溫度應力計算與分析——浙江國華寧海電廠二期工程主廠房結構設計[J].武漢大學學報：工學版,2007,10(40):166-169.

[4] 李琪,方偉定，王學民,等.主廠房溫度作用分析研究[J].武漢大學學報：工學版,2010,8(43):13-17.

2015-11-18

謝信江(1984～)，男，碩士，工程師，從事電力土建結構設計工作。

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