基于ANSYS的换流变基础温度场及温度应力仿真分析

江 飞，陈传新，陈 寅

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

基于ANSYS的换流变基础温度场及温度应力仿真分析

江 飞，陈传新，陈 寅

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

大体积混凝土因水化热产生梯度温度，普遍容易出现温度裂缝，危害结构安全。文中根据三维热传导理论，运用ANSYS参数化设计语言，针对某±800 kV换流站换流变基础龄期10天内的温度场和温度应力进行仿真计算，为该基础以及今后类似工程大体积混凝土设计、施工中进行温控防裂提供有益借鉴。

大体积混凝土；换流变基础；温度梯度；温度应力；ANSYS。

在特高压变电站和换流站建设中，为节约建设用地，严格控制基础不均匀沉降，对电压等级高、体量大、重量重的电气设备往往采用整板基础，如GIS组合设备基础、变压器组基础等。大量工程实践表明，大体积混凝土普遍存在开裂问题，且裂缝一般在混凝土浇筑完成后短期内形成，此时上部荷载尚未作用于基础上，因此该裂缝主要是由混凝土的水化热产生的梯度温度引起的。裂缝一旦形成，它会降低结构的耐久性，削弱构件的承载力，特别是基础贯穿裂缝，严重危害到结构的安全使用。本文以国内某±800 kV换流站换流变基础为依托，采用大型有限元分析软件ANSYS进行相关水化热仿真计算。

1 ANSYS温度场和温度应力分析过程

采用ANSYS建立有限元模型，先根据三维热传导理论完成热分析，将得到的温度场作为荷载施加到结构分析中，转化热分析单元为结构单元，根据材料的力学特性设置荷载步，读取相应的温度荷载求解温度应力。

1.1 温度场分析简介

混凝土浇筑后水泥水化放热传导，在结构中形成瞬态温度场，该温度场受多种因素影响，

如混凝土本身材料特性、浇筑过程、结构形式、外界气候条件、温控及养护措施等。瞬态温度场的计算实质上是三维非稳态导热方程在特定边界条件和初始条件的求解，混凝土三维热传导方程为：

式中：λ为混凝土导热系数(kJ/m·h·℃)；C为混凝土的比热(kJ/kg·℃)；ρ为混凝土密度(kg/m3)；Tt为绝热条件下龄期t时混凝土的绝热温升(℃)，Tt根据美国垦务局提出的公式进行计算：

式中：Th为混凝土的最终绝热温升(℃)；mc为水泥每千克水化热(kJ/kg)；Q为每立方米混凝土中的水泥用量(kg/m3)；e为常数，取2.71828；M为随混凝土浇筑温度、水泥品种等因素而异的系数。实际工程中，由于存在边界对流，混凝土内部温度应按非绝热温升估算：

式中：Tct为龄期t时混凝土内部实际温度(℃)；Tc为混凝土内部最高实际温度(℃)；Tf为混凝土浇筑温度(℃)；Tlt为龄期t时混凝土非绝热温升(℃)；Tl为混凝土内部最终非绝热温升(℃)；ς为温降系数，随浇筑块厚度与混凝土龄期而异，经大量实践表明，ς一般可按表1取值。

表1 温降系数ξ取值

一般认为，混凝土浇筑块体的里表温差不宜超过25℃，否则需采取相应的温控措施。

1.2 温度应力分析简介

混凝土浇筑后，内部因水化放热形成温度场，在特定的边界条件和外部约束下，因材料的热胀属性产生温度应力。当产生的拉应力达到或大于同时期混凝土的抗拉强度时，结构便产生温度裂缝。

现浇混凝土在低龄期时处于塑性状态，其弹性模量随着时间迅速上升，可用表达式(5)进行计算：

式中：Et为龄期t时混凝土弹性模量(MPa)；E0

为龄期28 d时混凝土弹性模量(MPa)。

相应地，混凝土强度的发展与龄期的关系为：

式中：ft为龄期t(d)时混凝土的强度(MPa)；f0为龄期为28 d时混凝土的强度(MPa)。

2 实例分析

2.1 工程背景

在国内某±800 kV换流站低端换流变基础设计时，为满足强度和不均匀沉降要求，基础设置现浇钢筋混凝土底板，拟先浇筑，预留防火墙及换流变本体基础插筋后续浇筑。底板平面尺寸为67.6 m×19.8 m，厚度为1 m。基础混凝土强度等级为C35，拟采用42.5标号普通硅酸盐水泥。根据大量实践统计，普通硅酸盐水泥M值及水化热mc值分别见表2和表3。

表2 普通硅酸盐水泥M值

表3 普通硅酸盐水泥水化热

2.2 有限元模型的建立

物体温度的三维热传导方程式(1)体现了温度场与时间、空间的复杂关系，有无穷多解，需给出确切的初始条件和边界条件才能求得特定需要的温度场。根据项目施工组织计划，该基础计划于4～5月施工，故假定混凝土浇筑入模温度为30 ℃，气温25 ℃，每立方米混凝土的水泥用量为400 kg，混凝土的导热系数λ取300 kJ/m·h·℃，比热C值取0.97 kJ/kg·℃。

采用三维实体热单元SOLID 70模拟混凝土基础，由于基础为对称结构，所以取其1/4进行仿真计算，即平面尺寸为33.8 m×9.9 m，厚度为1 m，在2个对称面施加绝热边界条件，并根据混凝土材料属性随时间变化规律设置荷载步，加载时间10 d，步长取0.5 d，读取相应的温度荷载求解温度应力。该有限元模型共划分4570个节点、3360个单元，建模采用的温度(℃)、长度(m)和力(N)。

2.3 有限元计算结果分析

读取不同荷载步有限元计算结果，见图1，为龄期3 d时有限元模型的温度场和应力场分布，图2显示了龄期3 d时有限元模型绝热边界处(即基础对称截面)的水化热温度场和应力场。图中温度单位为摄氏度(℃)，应力为第一主应力，单位为(N/m2)。

图1 龄期3 d时水化热温度场和应力场

图2 龄期3 d时绝热边界处水化热温度场和应力场

混凝土基础的温度场、应力场及抗拉强度随龄期发展而变化，在不同龄期的有限元计算结果见表4。

有限元模型计算得到的温度场及应力场表明，模型外表面边缘处温度最低，约为气温25℃，核心内部温度逐渐升高，相应地，温度应力的极值出现在模型表面边缘处，核心内部拉应力逐渐减小。有限元模型最大温差和最大拉应力随龄期发展的变化趋势，见图3。

(1)在龄期为3 d时，模型的温差最大，即温度梯度最大。大量实践表明，一般情况下大体积混凝土水化热的温度梯度峰值约出现在浇筑后3 d，仿真计算结果与实际基本一致。

(2)温度梯度在初期达到峰值后便逐步减小，最大拉应力的变化趋势与温度梯度基本吻合，在浇筑初期迅速增大，达到峰值后逐渐减小，其变化速率相对较缓慢。

表4 不同龄期时有限元模型计算结果

图3 最大温差和最大拉应力随龄期变化趋势图

(3)在龄期10 d内，模型的最大拉应力基本都大于或达到混凝土在相应龄期时的抗拉强度，即基础将出现裂缝。

现假定添加外加剂，优化混凝土配合比，在保证混凝土强度和施工性前提下，每立方米混凝土的水泥用量由400 kg减为300 kg，其余参数不变，建模进行对比分析。龄期3 d时有限元对比模型的温度场和应力场分布见图4。

图4 优化配合比后龄期3 d时水化热温度场和应力场

和图2对比发现，在每立方米混凝土的水泥用量由400 kg减为300 kg的条件下，龄期3 d时基础的最高温度由44.588℃减为39.778℃，最大温差由19.48℃减为14.70℃，最大拉应力由2.23×106N/m2减为1.69×106N/m2。对比分析各荷载步计算结果发现，温度梯度和温度应力均相应减小，其随龄期发展的变化趋势基本一致，同样在龄期为3 d时达到最大值，且在龄期9 d时其最大拉应力已不大于混凝土的抗拉强度。因此，减少水泥用量，对于大体积混凝土温控防裂效果显著。

3 结语

本文以±800 kV换流站低端换流变基础为研究对象，采用ANSYS有限元软件对其进行温度场和温度应力分析，得出结论如下：

(1)在龄期为3 d时，基础的内外温差最大，最大可达19.48 ℃；

(2)温度梯度在浇筑初期(3 d左右)迅速增大，达到峰值后便逐步减小，其减小变化速率相对较缓慢，基础的最大拉应力的变化趋势与温度梯度基本吻合。

(3)在龄期10 d内，基础的最大拉应力均不小于混凝土在相应龄期时的抗拉强度，基础将出现裂缝，应采取相应措施控制施工期间温度裂缝。

(4)在基础混凝土中掺加抗裂纤维素，以增强其早期抗拉强度；施工时采用低水化热的矿渣硅酸盐水泥；添加粉煤灰和外加剂，优化配合比以减少水泥用量等控制措施均能较好的控制基础温度裂缝的产生。

大体积混凝土存在的温度裂缝问题，应以预防为主。通过ANSYS热分析功能，能较直观、合理地模拟分析现浇混凝土的温度场和温度应力，并通过设置不同材料属性和边界条件进行对比分析，从而对大体积混凝土结构设计和施工中采用合理有效的温控防裂措施提供有益借鉴。

[1] 张朝晖．ANSYS热分析教程与实例分析[M]．北京:中国铁道出版社，2007．

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[3] GB 50496－2009，大体积混凝土施工规范[S]．

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[5] 费春．大体积混凝土结构施工中水化热温度场的有限元分析[J]．建筑施工，2011，33(8)．

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

徐江飞(1986- )，男，湖北武汉人，工学硕士，从事变电结构设计研究。