泸定水电站厂房钢管混凝土排架柱温度效应分析

泸定水电站厂房钢管混凝土排架柱温度效应分析

管道混凝土是在混凝土和弯管的基础上形成的一种结构。这是在钢筋混凝土和螺旋钢筋混凝土的基础上发展起来的一种新组合结构。与纯混凝土柱和纯钢柱相比，其轴承压、弯压和剪切能力显著提高。此外，它具有良好的耐寒性和抗疲劳动性，经济效益很高。其应用日益广泛，从最早的桥墩逐步涉及到单层和多层工业厂房、高炉和锅炉构架、送变电构架及各种支架结构中。目前对钢管混凝土温度应力和耐火性能的研究相对薄弱，特别是对矩形钢管混凝土柱组成的厂房整体结构的研究更少，尚处于初步阶段，可供借鉴的经验不多。基于这种情况，本文结合泸定水电站厂房钢管混凝土结构，以通用有限元程序ANSYS作为分析工具，对其排架柱的受火情况进行深入计算分析，旨在研究矩形钢管混凝土柱随外界温度发生变化时温度场和温度应力的变化规律和受火特性。1热传导率的边界条件ANSYS热分析基本方程为:式中，ρ为密度；c为比热容；T为温度；t为时间；V为整体传热速率矢量，V={Vx,Vy,Vz}T;q为单位体积的生热率；Kx、Ky、Kz分别为单元在x、y、z方向的热传导率。边界条件一般分为4类：第一类是已知物体边界上的温度函数；第二类是已知物体边界上的热流密度；第三类是已知与物体相接触的流体介质的温度TB和换热系数hf；第四类是已知固体与固体接触面上的换热条件。本文涉及到第一类和第三类边界条件。(1）在面S1上温度已知：式中，T*为已知的温度。(2）在面S3上对流量已知（牛顿冷却法则）：式中，η为单位外法线向量；hf为膜散热系数；TB为相邻流体的整体温度；Ts为模型表面的温度。2元模型的构建2.1方面机组段的确定泸定水电站为大渡河干流水电梯级开发的第12级电站，工程等别为二等大（2）型工程，装机容量4×230MW，其主厂房上部结构采用矩形钢管混凝土组合结构形式。泸定水电站厂房初步设计总跨度为32.2m，上下游下柱内缘之间的距离为27m。本文选取1号机组段进行分析，其平面示意见图1。厂房屋顶计算时采用拱型屋面，压型钢板材料，中心角弧度为43°。排架柱的上、下柱均采用矩形钢-混凝土结构，钢材采用Q345B，柱内填C40混凝土，上柱高10.15m，下柱高9.85m，排架柱间距见图1，其截面形式见图2。图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。吊车梁为箱型钢结构，高2150mm，宽890mm，腹板厚14mm，翼缘板厚26mm，架于下柱柱顶。水平横撑及屋顶拱梁采用63C热轧工字钢。2.2温度变化时的热分析建立三维有限元模型时，重点研究外界环境温度变化对温度场及温度应力的影响。进行温度场计算时还考虑了材料非线性，将钢管和混凝土作为非线性材料考虑，并且考虑温度荷载及吊车设备自重，不考虑刹车力。钢管和混凝土作直接黏结处理，不考虑二者因热膨胀不同而可能产生的脱离现象。本文假定受火时间为3h，受火面为外包钢管表面、吊车梁上下翼缘及腹板外表面、上柱及下柱柱顶面，不考虑沿高度方向火的传播时间，近似地认为温度沿着钢管混凝土构件的长度方向不变化，只沿截面径向变，构件长度方向同时作用相同的环境温度。火灾情况下钢管混凝土周围环境的升温过程曲线采用国际标准化组织(ISO)推荐的标准温升曲线，曲线方程为：式中，TB为环境温度，℃；t为温升时间，s。钢材和混凝土的热性能参数主要包括导热系数、比热容和热膨胀系数，一般来说这些参数都会随着温度的变化而变化，本文中这些参数按文献取值。混凝土和钢材的比热、导热系数与热膨胀系数的表达式如下：式中，ρc、cc、kc、αc分别为混凝土的密度、比热容、导热系数、热膨胀系数；ρs、cs、ks、αs分别为钢的密度、比热容、导热系数、热膨胀系数；T为温度。其中，混凝土及钢的密度在本文中分别取2400kg/m3和7800kg/m3。排架柱底部与厂房地面按固结处理。ANSYS的热分析可分为稳态热分析和瞬态热分析两种。本文进行的温度场分析包含了上述两种分析方法,另外由于材料性能参数(导热系数、比热容及热膨胀系数)等都随温度变化,还属于非线性热分析，具体分析步骤为：首先设定只有一个子步的时间很小的荷载步0.01s，以柱体在外界温度变化前的温度作为初始条件施加于整个柱体外包钢板及吊车梁的节点上，对应于第一类边界条件，本文统一初始温度为20℃；随后进入瞬态分析，外界温度变化对模型的影响通过热对流及热辐射来实现，对应于第三类边界条件，计算中将对流边界条件作为面荷载施加于实体的外表面节点上，其中要定义对流系数和流体温度两个值，本文在温度为60、400、600、700、900、1100℃时对应的对流换热系数分别为41.868、62.802、125.604、167.472、239.076、502.416kJ/（m2·h·℃）。在温度场分析之后重新进入前处理,转到结构分析,将热单元分别转换为相应的结构单元,再设置结构分析中的材料属性,对模型添加位移边界条件，即在排架柱底面施加固结约束，并读入热分析的节点温度,然后进行热应力计算。2.3温度场及混凝土板内所引起的温度应力本文应用文献中的混凝土自由板为例，本实例分析初始影响消失后的准稳定温度场及在混凝土板内所引起的温度应力。利用上节所述的分析方法，得到不同时间的温度分布见图3，不同时间板内应力分布见图4，与文献所求得的结果基本一致。可见，本文所用的分析温度场及温度应力的方法是可行的。2.4建立模型的建立根据泸定水电站厂房钢管混凝土排架柱、吊车梁、联系梁的工作特点和相互作用关系，建立上部结构三维有限元整体模型。网格划分时根据不同构件的实际断面形式、几何形状、受力特点，采用了不同的单元类型进行模拟，以真实反映各个构件的实际变形规律和应力分布状态。在热分析时，核心混凝土采用适用于三维实体模型同时具有热传导能力的空间8节点六面体单元Solid70单元；外包钢管、吊车梁采用具有热传导能力的空间三维单元Shell131单元；联系梁采用热传导单元Link3。热分析完毕，转为结构分析时，核心混凝土转化为结构分析单元Solid45单元，外包钢管、吊车梁和拱形钢架屋面转化为三维壳单元Shell63单元,联系梁单元转化为Beam4单元。为了计算方便且不失规律性，对原来的整体模型作了简化，取中间2号及3号柱及一部分吊车梁，简化后的模型如图5所示，简化后的模型单元总数为18178个，节点数为15692个。坐标系选择为：x轴沿厂房横向，y轴沿厂房轴向，z轴沿厂房高度方向，原点位于厂房轴线1号柱外侧边。3成果分析3.1核心混凝土温升曲线取单柱进行分析，选取的3个截面为：2号柱下柱柱底面向上30cm处的横截面（截面1），上柱柱底面向下30cm处的横截面（截面2），上柱柱底向上30cm处的横截面（截面3），典型截面如图6所示。从计算的结果中得出，虽然柱子外包钢板所处的位置不一，但由于受火分析时柱子的四周定义了相同的受火边界条件，所以温度变化规律基本一致，受火3h后，最高温度都在1100°C左右。核心混凝土由于导热系数小，比热大，温升曲线明显落后于外包钢管。根据研究，柱子核心混凝土的温升与柱子的截面尺寸有很大的关系，且截面越大，相同条件下核心混凝土的温升越小，所以取截面2进行研究。截面2外包钢板的温升曲线及核心混凝土温升曲线见图7。受火3h后，核心混凝土温升为58℃，外包钢板温升为1080℃，接近于钢的熔点。3.2混凝土及外包钢板应力分析为了研究钢管混凝土组合排架柱的强度和刚度，首先分析排架柱典型截面的应力和位移规律，重点研究吊车位于上游的不利工况，排架柱编号和典型截面关键点位置分别参见图1和图8。其中下柱底面1、2号点为排架柱的厂房内侧点，3、4号点为外侧点，上柱柱顶、柱底面关键点位置类似。由于模型对称，只考虑吊车荷载作用在跨中且不考虑水平荷载，所以应力也应该对称，现取2号柱子的应力进行研究，其z方向最大、最小应力值及对应关键点见表1。从表1可以看出，混凝土的拉压应力都在允许范围之内，但外包钢板压应力超过了允许的拉压强度，这和所采用的线弹性模型及约束有一定的关系，同时也验证了热胀冷缩的原理，火灾下，产生的应力以压应力为主。由于火灾是一个随时间变化的过程，产生的应力也在随着时间的变化而变化，现提取出关键点1处混凝土及外包钢板压应力的时程曲线，如图9及图10所示。从图9、10可以看出，混凝土及外包钢板都是在受火的初期（受火20min）压应力迅速增大，并且分别达到了最大值，钢板为1400MPa左右，混凝土为13MPa左右，然后随着受火时间的延长，压应力又逐渐减小，最后趋向于一条直线，外包钢板最后稳定在619.42MPa，混凝土最终稳定在0.27MPa。可见，钢材超出了允许应力，但混凝土在允许强度之内。3.3受火工况下柱的变形排架柱最大位移见表2。从表2可以看出，X、Z向的位移最大值出现在上柱柱顶，Y向的位移最大值出现在上柱柱底（下柱柱顶）。X向的位移可以归结为吊车荷载作用所致，吊车梁竖向荷载作用在排架柱下柱柱顶的内侧，属于偏心受压，下柱于是有向厂房中心变形的趋势；Y向变形是由于吊车