瀘定水電站廠房鋼管混凝土排架柱溫度效應(yīng)分析

瀘定水電站廠房鋼管混凝土排架柱溫度效應(yīng)分析

管道混凝土是在混凝土和彎管的基礎(chǔ)上形成的一種結(jié)構(gòu)。這是在鋼筋混凝土和螺旋鋼筋混凝土的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新組合結(jié)構(gòu)。與純混凝土柱和純鋼柱相比，其軸承壓、彎壓和剪切能力顯著提高。此外，它具有良好的耐寒性和抗疲勞動(dòng)性，經(jīng)濟(jì)效益很高。其應(yīng)用日益廣泛，從最早的橋墩逐步涉及到單層和多層工業(yè)廠房、高爐和鍋爐構(gòu)架、送變電構(gòu)架及各種支架結(jié)構(gòu)中。目前對(duì)鋼管混凝土溫度應(yīng)力和耐火性能的研究相對(duì)薄弱，特別是對(duì)矩形鋼管混凝土柱組成的廠房整體結(jié)構(gòu)的研究更少，尚處于初步階段，可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多。基于這種情況，本文結(jié)合瀘定水電站廠房鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，以通用有限元程序ANSYS作為分析工具，對(duì)其排架柱的受火情況進(jìn)行深入計(jì)算分析，旨在研究矩形鋼管混凝土柱隨外界溫度發(fā)生變化時(shí)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的變化規(guī)律和受火特性。1熱傳導(dǎo)率的邊界條件ANSYS熱分析基本方程為:式中，ρ為密度；c為比熱容；T為溫度；t為時(shí)間；V為整體傳熱速率矢量，V={Vx,Vy,Vz}T;q為單位體積的生熱率；Kx、Ky、Kz分別為單元在x、y、z方向的熱傳導(dǎo)率。邊界條件一般分為4類：第一類是已知物體邊界上的溫度函數(shù)；第二類是已知物體邊界上的熱流密度；第三類是已知與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度TB和換熱系數(shù)hf；第四類是已知固體與固體接觸面上的換熱條件。本文涉及到第一類和第三類邊界條件。(1）在面S1上溫度已知：式中，T*為已知的溫度。(2）在面S3上對(duì)流量已知（牛頓冷卻法則）：式中，η為單位外法線向量；hf為膜散熱系數(shù)；TB為相鄰流體的整體溫度；Ts為模型表面的溫度。2元模型的構(gòu)建2.1方面機(jī)組段的確定瀘定水電站為大渡河干流水電梯級(jí)開發(fā)的第12級(jí)電站，工程等別為二等大（2）型工程，裝機(jī)容量4×230MW，其主廠房上部結(jié)構(gòu)采用矩形鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)形式。瀘定水電站廠房初步設(shè)計(jì)總跨度為32.2m，上下游下柱內(nèi)緣之間的距離為27m。本文選取1號(hào)機(jī)組段進(jìn)行分析，其平面示意見圖1。廠房屋頂計(jì)算時(shí)采用拱型屋面，壓型鋼板材料，中心角弧度為43°。排架柱的上、下柱均采用矩形鋼-混凝土結(jié)構(gòu)，鋼材采用Q345B，柱內(nèi)填C40混凝土，上柱高10.15m，下柱高9.85m，排架柱間距見圖1，其截面形式見圖2。圖2中，上柱b×h=1250mm×1100mm,t=28mm,tw=14mm,h0=1044mm；下柱b×h=1250mm×2600mm,t=28mm,tw=14mm,h0=2544mm。吊車梁為箱型鋼結(jié)構(gòu)，高2150mm，寬890mm，腹板厚14mm，翼緣板厚26mm，架于下柱柱頂。水平橫撐及屋頂拱梁采用63C熱軋工字鋼。2.2溫度變化時(shí)的熱分析建立三維有限元模型時(shí)，重點(diǎn)研究外界環(huán)境溫度變化對(duì)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力的影響。進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)還考慮了材料非線性，將鋼管和混凝土作為非線性材料考慮，并且考慮溫度荷載及吊車設(shè)備自重，不考慮剎車力。鋼管和混凝土作直接黏結(jié)處理，不考慮二者因熱膨脹不同而可能產(chǎn)生的脫離現(xiàn)象。本文假定受火時(shí)間為3h，受火面為外包鋼管表面、吊車梁上下翼緣及腹板外表面、上柱及下柱柱頂面，不考慮沿高度方向火的傳播時(shí)間，近似地認(rèn)為溫度沿著鋼管混凝土構(gòu)件的長(zhǎng)度方向不變化，只沿截面徑向變，構(gòu)件長(zhǎng)度方向同時(shí)作用相同的環(huán)境溫度。火災(zāi)情況下鋼管混凝土周圍環(huán)境的升溫過程曲線采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)推薦的標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線，曲線方程為：式中，TB為環(huán)境溫度，℃；t為溫升時(shí)間，s。鋼材和混凝土的熱性能參數(shù)主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱膨脹系數(shù)，一般來說這些參數(shù)都會(huì)隨著溫度的變化而變化，本文中這些參數(shù)按文獻(xiàn)取值?；炷梁弯摬牡谋葻帷?dǎo)熱系數(shù)與熱膨脹系數(shù)的表達(dá)式如下：式中，ρc、cc、kc、αc分別為混凝土的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)；ρs、cs、ks、αs分別為鋼的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)；T為溫度。其中，混凝土及鋼的密度在本文中分別取2400kg/m3和7800kg/m3。排架柱底部與廠房地面按固結(jié)處理。ANSYS的熱分析可分為穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析兩種。本文進(jìn)行的溫度場(chǎng)分析包含了上述兩種分析方法,另外由于材料性能參數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容及熱膨脹系數(shù))等都隨溫度變化,還屬于非線性熱分析，具體分析步驟為：首先設(shè)定只有一個(gè)子步的時(shí)間很小的荷載步0.01s，以柱體在外界溫度變化前的溫度作為初始條件施加于整個(gè)柱體外包鋼板及吊車梁的節(jié)點(diǎn)上，對(duì)應(yīng)于第一類邊界條件，本文統(tǒng)一初始溫度為20℃；隨后進(jìn)入瞬態(tài)分析，外界溫度變化對(duì)模型的影響通過熱對(duì)流及熱輻射來實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)于第三類邊界條件，計(jì)算中將對(duì)流邊界條件作為面荷載施加于實(shí)體的外表面節(jié)點(diǎn)上，其中要定義對(duì)流系數(shù)和流體溫度兩個(gè)值，本文在溫度為60、400、600、700、900、1100℃時(shí)對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)分別為41.868、62.802、125.604、167.472、239.076、502.416kJ/（m2·h·℃）。在溫度場(chǎng)分析之后重新進(jìn)入前處理,轉(zhuǎn)到結(jié)構(gòu)分析,將熱單元分別轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元,再設(shè)置結(jié)構(gòu)分析中的材料屬性,對(duì)模型添加位移邊界條件，即在排架柱底面施加固結(jié)約束，并讀入熱分析的節(jié)點(diǎn)溫度,然后進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算。2.3溫度場(chǎng)及混凝土板內(nèi)所引起的溫度應(yīng)力本文應(yīng)用文獻(xiàn)中的混凝土自由板為例，本實(shí)例分析初始影響消失后的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)及在混凝土板內(nèi)所引起的溫度應(yīng)力。利用上節(jié)所述的分析方法，得到不同時(shí)間的溫度分布見圖3，不同時(shí)間板內(nèi)應(yīng)力分布見圖4，與文獻(xiàn)所求得的結(jié)果基本一致。可見，本文所用的分析溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力的方法是可行的。2.4建立模型的建立根據(jù)瀘定水電站廠房鋼管混凝土排架柱、吊車梁、聯(lián)系梁的工作特點(diǎn)和相互作用關(guān)系，建立上部結(jié)構(gòu)三維有限元整體模型。網(wǎng)格劃分時(shí)根據(jù)不同構(gòu)件的實(shí)際斷面形式、幾何形狀、受力特點(diǎn)，采用了不同的單元類型進(jìn)行模擬，以真實(shí)反映各個(gè)構(gòu)件的實(shí)際變形規(guī)律和應(yīng)力分布狀態(tài)。在熱分析時(shí)，核心混凝土采用適用于三維實(shí)體模型同時(shí)具有熱傳導(dǎo)能力的空間8節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid70單元；外包鋼管、吊車梁采用具有熱傳導(dǎo)能力的空間三維單元Shell131單元；聯(lián)系梁采用熱傳導(dǎo)單元Link3。熱分析完畢，轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)分析時(shí)，核心混凝土轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析單元Solid45單元，外包鋼管、吊車梁和拱形鋼架屋面轉(zhuǎn)化為三維殼單元Shell63單元,聯(lián)系梁?jiǎn)卧D(zhuǎn)化為Beam4單元。為了計(jì)算方便且不失規(guī)律性，對(duì)原來的整體模型作了簡(jiǎn)化，取中間2號(hào)及3號(hào)柱及一部分吊車梁，簡(jiǎn)化后的模型如圖5所示，簡(jiǎn)化后的模型單元總數(shù)為18178個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為15692個(gè)。坐標(biāo)系選擇為：x軸沿廠房橫向，y軸沿廠房軸向，z軸沿廠房高度方向，原點(diǎn)位于廠房軸線1號(hào)柱外側(cè)邊。3成果分析3.1核心混凝土溫升曲線取單柱進(jìn)行分析，選取的3個(gè)截面為：2號(hào)柱下柱柱底面向上30cm處的橫截面（截面1），上柱柱底面向下30cm處的橫截面（截面2），上柱柱底向上30cm處的橫截面（截面3），典型截面如圖6所示。從計(jì)算的結(jié)果中得出，雖然柱子外包鋼板所處的位置不一，但由于受火分析時(shí)柱子的四周定義了相同的受火邊界條件，所以溫度變化規(guī)律基本一致，受火3h后，最高溫度都在1100°C左右。核心混凝土由于導(dǎo)熱系數(shù)小，比熱大，溫升曲線明顯落后于外包鋼管。根據(jù)研究，柱子核心混凝土的溫升與柱子的截面尺寸有很大的關(guān)系，且截面越大，相同條件下核心混凝土的溫升越小，所以取截面2進(jìn)行研究。截面2外包鋼板的溫升曲線及核心混凝土溫升曲線見圖7。受火3h后，核心混凝土溫升為58℃，外包鋼板溫升為1080℃，接近于鋼的熔點(diǎn)。3.2混凝土及外包鋼板應(yīng)力分析為了研究鋼管混凝土組合排架柱的強(qiáng)度和剛度，首先分析排架柱典型截面的應(yīng)力和位移規(guī)律，重點(diǎn)研究吊車位于上游的不利工況，排架柱編號(hào)和典型截面關(guān)鍵點(diǎn)位置分別參見圖1和圖8。其中下柱底面1、2號(hào)點(diǎn)為排架柱的廠房?jī)?nèi)側(cè)點(diǎn)，3、4號(hào)點(diǎn)為外側(cè)點(diǎn)，上柱柱頂、柱底面關(guān)鍵點(diǎn)位置類似。由于模型對(duì)稱，只考慮吊車荷載作用在跨中且不考慮水平荷載，所以應(yīng)力也應(yīng)該對(duì)稱，現(xiàn)取2號(hào)柱子的應(yīng)力進(jìn)行研究，其z方向最大、最小應(yīng)力值及對(duì)應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)見表1。從表1可以看出，混凝土的拉壓應(yīng)力都在允許范圍之內(nèi)，但外包鋼板壓應(yīng)力超過了允許的拉壓強(qiáng)度，這和所采用的線彈性模型及約束有一定的關(guān)系，同時(shí)也驗(yàn)證了熱脹冷縮的原理，火災(zāi)下，產(chǎn)生的應(yīng)力以壓應(yīng)力為主。由于火災(zāi)是一個(gè)隨時(shí)間變化的過程，產(chǎn)生的應(yīng)力也在隨著時(shí)間的變化而變化，現(xiàn)提取出關(guān)鍵點(diǎn)1處混凝土及外包鋼板壓應(yīng)力的時(shí)程曲線，如圖9及圖10所示。從圖9、10可以看出，混凝土及外包鋼板都是在受火的初期（受火20min）壓應(yīng)力迅速增大，并且分別達(dá)到了最大值，鋼板為1400MPa左右，混凝土為13MPa左右，然后隨著受火時(shí)間的延長(zhǎng)，壓應(yīng)力又逐漸減小，最后趨向于一條直線，外包鋼板最后穩(wěn)定在619.42MPa，混凝土最終穩(wěn)定在0.27MPa?？梢?，鋼材超出了允許應(yīng)力，但混凝土在允許強(qiáng)度之內(nèi)。3.3受火工況下柱的變形排架柱最大位移見表2。從表2可以看出，X、Z向的位移最大值出現(xiàn)在上柱柱頂，Y向的位移最大值出現(xiàn)在上柱柱底（下柱柱頂）。X向的位移可以歸結(jié)為吊車荷載作用所致，吊車梁豎向荷載作用在排架柱下柱柱頂?shù)膬?nèi)側(cè)，屬于偏心受壓，下柱于是有向廠房中心變形的趨勢(shì)；Y向變形是由于吊車