精密仪器厂房基础随环境温度变化的微变形及其控制

垄上青青

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摘 要：
【目的】跨水库精密科学装置厂房基础在环境气温和库水温变化作用下会出现微变形，进而影响厂房内的精密科学装置正常运行。为了研究跨水库精密仪器厂房基础在环境温度变化作用下的温度变形及其控制，【方法】以某大型精密科学装置跨水库厂房为例，基于有限元热-应力耦合的瞬态分析，结合实测环境温度数据，模拟分析了在环境温度变化作用下采用重型桥涵跨水库方案的厂房基础的微变形。【结果】计算结果显示，不采取任何保温措施时，厂房基础底板每10延米的最大微变形差为234.862μm,大于控制标准100μm。将暴露在空气中的重型桥涵外表面增设聚乙烯苯板保温层并优选骨料以降低结构混凝土的线膨胀系数或将重型桥涵所有暴露在水和空气中的外表面均设置聚乙烯苯板保温层后，厂房基础底板每10延米的最大微变形差为97.357μm和75.691μm,满足控制标准。【结论】数值计算表明，在重型涵外表面增设聚乙烯苯板保温层，避免外界气温随季节变化对重型桥涵混凝土结构稳定温度场的影响，结构温度场随季节变幅较小，温度作用减小，而优选混凝土骨料降低混凝土线膨胀系数，能显著减小温度作用下结构的温度变形，两种方案均能有效控制跨水库精密仪器厂房基础在环境温度变化作用下出现的微变形。
精密仪器厂房;热-应力耦合;微变形;变形控制;保温措施;
作者简介：
王英洁(1998—),女，硕士研究生，主要从事水工结构抗震减振研究。
*张汉云(1984—),女，副教授，硕士研究生导师，博士，主要从事水工结构抗震减振研究。
基金：
上海市“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目(21DI1203100);
国家自然科学基金项目(51709090);
江苏省自然科学基金项目(BK20170884);
引用：
王英洁, 张汉云, 季永兴, 等. 精密仪器厂房基础随环境温度变化的微变形及其控制[ J] . 水利水电技术(中英文), 2023, 54 (1): 119- 127.
WANG Yingjie, ZHANG Hanyun, JI Yongxing, et al. Micro-deformation of workshop foundation for precision scientific device with ambient temperature change and its control[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2023, 54(1): 119- 127.
0 引 言
近年来，随着高科技的飞速发展，精密仪器设备制造技术的精度已达纳米级水平。设备运行期厂房及其基础在环境振动和环境温度变化作用下产生的微振动及微变形会干扰内部精密仪器的运行，因此，微振动和微变形控制成为精密仪器厂房及其基础设计和施工的关键技术。跨水域布置的精密仪器厂房基础在服役期间由于完全暴露在空气和水中，受环境温度变化影响显著，温度作用下厂房基础的微变形是制约微变形控制的关键因素之一，因此，十分有必要对跨水库精密仪器厂房基础在环境温度变化作用下的温度变形和及其控制展开研究。
目前，对于跨水库精密仪器厂房基础的温度微变形和控制的专门研究较少，研究主要集中于桥涵结构的温度场及保温材料性能的研究，刘鸣博等研究表明威布尔分布与正态分布的加权概率模型可用于描述钢箱梁竖向表面正负温度差的概率密度分布，据此确定了具有一定重现期的钢箱梁竖向表面温度差标准值。卫俊岭模拟了不同天气下高铁混凝土箱梁桥的温度场，箱梁实测与模拟温度吻合良好，在此基础上，进一步模拟了高铁混凝土箱梁桥的温度梯度，结果与铁路桥涵混凝土结构设计规范的建议值相近。王桢等为解决混凝土箱体结构的温度裂纹问题，研发出一种可以在白天用于混凝土箱体桥梁表面的自控温装置。刘芸欣为了提高混凝土连续箱梁桥温度效应有限元计算模拟效率，提出了一种能够智能匹配不同梁高梯度温度场函数的模拟方法。孙文等对干寒地区太阳辐射影响下箱型梁温度效应进行分析，表明温差作用下混凝土箱型桥梁桥身将产生可观的温度应力，会导致桥身混凝土出现裂缝。对于保温材料，KARIM等研究了一种掺有多孔低密度、极低导热系数气凝胶颗粒的新型超级隔热灰泥，其形成的超级隔热石膏已被广泛应用；DMYTRO等基于可溶性玻璃和技术矿物填料研发的多孔结构隔热材料，用于粒状隔热填料、复杂结构中的隔热材料、板状和壳状隔热材料，具有很好的保温性能。SONG等利用稻壳灰、粉煤灰、硅粉等三种外加剂配置混凝土可以有效地降低其导热系数，改善其保温效果；ZHANG等改善了广泛用于建筑外保温系统节能的工业保温材料可发性聚苯乙烯的保温性能；SHI等以工业固体废弃物和膨胀聚苯乙烯珠为原料，采用压缩法制备了一种新型保温复合材料；JIA等探讨了隔热性能优越的气凝胶材料在水泥基保温材料中的作用机理和性能。王雁钧研究了混凝土保温幕墙的优点和施工难点。李满星介绍了泡沫混凝土保温板外墙保温施工的技术特点。
在本文研究的大科学装置项目中，大科学精密仪器在运行时对环境振动和变形极为敏感，根据设备工艺对微变形的要求，跨水库厂房基础微变形差应小于100 μm/(10 m·a)。综合考虑该精密仪器厂房基础对自振特性、微振动、微变形以及水库水域连通的要求，经过高桩框架桥、高桩框架+土体保护、重型墩墙桥、轻型桩基桥和重型桥涵桩等多种方案的比选,确定采用重型桥涵的跨库方案，其平面布置如图1所示。

图1 重型桥涵跨库方案平面布置
本文结合工程场地多年的实测环境温度数据拟合环境温度变化曲线和库水温度变化曲线，建立地基-桩基-重型桥涵-厂房基础底板-保护土体的整体有限元模型，基于有限元热-应力耦合理论，对跨水库精密科学装置厂房基础随环境气温和库水温度变化的温度场和温度变形进行数值模拟，并根据数值模拟的结果，提出相应的保温措施，对保温后的微变形进行评价。研究表明，通过增设聚乙烯苯板保温层、优选混凝土骨料降低混凝土线膨胀系数等措施可以有效控制重型桥涵基础的微变形，满足微变形控制要求，研究成果可为同类工程提供有益参考。
1 热应力耦合控制方程
两种不同物质相邻的物体随温度变化发生的热-应力耦合问题的有限元控制方程如下

式中，M为质量矩阵；Ku为刚度矩阵；u为节点位移向量；t+ΔtRc为相邻面上的等效节点作用力向量；C为热容矩阵；Kθ为热传导矩阵；θ为节点温度列阵；θ˙为节点温度对时间的导数列阵；t+ΔtQc为相邻面上节点温度荷载列阵。
2 数值模型建立
2.1 计算模型
本文研究的大科学装置项目主体建筑轴向总长1.8 km, 沿线横跨水库东、西两侧支流，其中东侧支流跨水库厂房段长140 m。项目采用的重型桥涵跨库方案如图2所示。厂房基础底板顶部高程为25.00 m, 底板厚1.5 m, 过水涵洞顶高程21.45 m, 涵洞底高程10.0 m, 桥涵底高程8.0 m。厂房底板两侧沿轴向每8.4 m为一榀，框架柱和梁都采用H型钢，每根框架柱下部均设有两根直径0.6 m的灌注桩。厂房基础底板下部沿轴向每隔4 m设置一排4根直径0.8 m的灌注桩，其纵横向间距均为4 m, 灌注桩伸入微风化层基岩1 m。厂房基础底板下部与基岩表面悬空桩基之间回填风化料。

图2 桩基重型桥涵方案纵断面(单位：m)
本文建立了地基-桩基-重型桥涵-厂房基础底板-保护土体的整体有限元模型，模拟范围为顺流向桥涵与桩基作用范围的47.19 m, 横流向为35排直径为0.8 m桩基的作用范围的140 m。地基、土体保护结构、重型桥涵、厂房基础底板和直径为0.8 m的桩基、保温材料均采用3D-Solid单元模拟，直径为0.6 m的桩基采用Truss单元模拟，单元总数328 294个，节点总数998 506个。模型底部采用固定约束，四周采用法向链杆约束。建模时，地基、桩基、重型桥涵、厂房基础底板、保护土体等各部分结构根据设计方案进行了详细模拟，不同结构之间的接触严格按照设计模拟横缝及节点连续，并按不同材料分区划分网格。图3为桩基重型桥涵方案整体有限元网格。图4为重型桥涵方案混凝土结构模型图。模型坐标系：X方向为横流向即厂房基础底板的轴向；Y方向为顺流向；Z方向为竖直向，指向上为正。

图3 桩基重型桥涵方案整体有限元模型

图4 重型桥涵方案混凝土结构模型
2.2 计算方案与材料参数
基于热-应力耦合分析，通过对比提高桥涵混凝土强度等级、采用不同回填材料和保温材料等方案，增设聚乙烯苯板保温层和优选重型桥涵混凝土骨料以降低混凝土线膨胀系数的方法可控制厂房基础的微变形，数值模拟的方案如表1所列。不同方案的保温层位置如图5中绿色和红色部分所示。

图5 保温材料位置示意
各部位材料的力学参数和热力学参数分别如表2和表3所列。

2.3 边界条件
计算时，正常蓄水位以下桥涵和厂房基础底板根据拟合的月平均水温施加第一类温度场边界条件，水位以上桥涵根据拟合的月平均气温施加第三类温度场边界条件。
2.3.1气 温
根据资料多年平均气温为22.3 ℃。多年最低月平均气温为15.7 ℃,发生在1月份；多年最高月平均气温为28.9 ℃,发生在7月份；各月39年平均气温如表4所列。

根据表4的数据，将月平均气温资料拟合成一条余弦曲线,拟合后的气温年变化计算公式如下
式中，Ta为环境气温；t为月份。
气温的年变化曲线如图6所示。由图6对比分析可知该公式拟合的温度与实测温度吻合度较高。

图6 环境月平均气温拟合曲线
2.3.2库水温
因为该水库缺乏水温的实测资料，根据相关文献[20,21]认为各月平均库水温均比气温低2 ℃,因此，多年平均水温为20.6 ℃。多年最低月平均水温为14.7 ℃,发生在1月份；多年最高月平均水温为26.5 ℃,发生在7月份。将水温资料进行拟合，拟合后的水温年变化曲线如图7所示。拟合后的水温年变化计算如下
式中，Ta为水温；t为月份。

图7 库水温拟合曲线
2.3.3厂房底板温度
根据设计资料，厂房在恒温、恒湿的条件下运行，夏季(26±2) ℃,冬季(20±2) ℃,故假设厂房基础底板多年平均温度为23.0 ℃。多年最低月平均温度为20.0 ℃,发生在1月份；多年最高月平均温度为26.0 ℃,发生在7月份。将厂房底板温度资料进行拟合，拟合后的厂房基础底板温度年变化曲线如图8所示。拟合后的厂房底板温度年变化计算如下
式中，Ta为厂房底板温度；t为月份。

图8 厂房底板温度拟合曲线
本次计算使用有限元软件ADINA进行，计算时不同材料均采用线弹性本构模型。计算时热-应力耦合分析采用瞬态分析，计算时程为以天为单位的温度变化，为获得迭代稳定的温度场，模拟了两年一个月，共750 d的温度变化，时间步长为1 d, 共计算750步，微变形位移结果提取迭代稳定的第二年的模拟结果。
3 温度场结果分析
根据环境气温和水温的变化，全年最低温出现在1月份、最高温出现在7月份，计算结果与实测温度数据一致，故图9、图10、图11分别列出了不同方案下1月和7月结构-地基整体体系的温度场。

图9 方案1整体结构温度场(单位：℃)

图10 方案2整体结构温度场(单位：℃)

图11 方案3整体结构温度场(单位：℃)
从温度场云图可以看出：方案1,水位以上暴露在空气中的结构温度比水位以下的结构温度高2 ℃左右，与输入的环境气温和水温数据一致，由于地基深处不接触空气，故地基深处的温度不会随着环境温度的变化而改变，始终保持在22 ℃左右，与输入初始温度场一致；而桥涵混凝土结构部分的温度场会随周围环境温度的变化而改变，且从1月到7月的温差较大，对混凝土结构产生的微变形较大。方案2,在暴露于空气中的混凝土结构表面设置聚乙烯苯板保温层，并将结构混凝土的线膨胀系数降低至0.53×10-5/℃,对比没有保温措施时可以看出，增设保温层使桥涵水位以上的结构与水下的结构从1月到7月的温差明显变小，最大温差控制在1.5 ℃范围内。方案3,将暴露在空气和水中的混凝土结构表面均增设聚乙烯苯板保温层后，水上和水下的混凝土结构温度场均不随周围环境温度变化而改变，且水上和水下的混凝土结构温度场无明显差异，说明保温层可以有效地减弱周围环境变化对混凝土结构温度场变化的影响。
4 微变形结果分析
数值分析表明，组成厂房基础结构的重型桥涵、桩基及厂房基础底板中，厂房基础底板顶部的竖直向变形最大。厂房主体建筑由中间主体设备区和两旁的技术长廊、设备用房构成，中间主体设备区的微变形需严格控制，故在中间主体设备区基础底板顶部每间隔10 m取一个关键点(见图4),相邻两个关键点的微变形差值为“微变形差”。各方案下，由于桥涵跨中过水处没有重力墩支撑，刚度较小，产生的微变形较大，故每10延米的最大微变形差均发生此(见图4中的星号)。表5列出了厂房基础底板沿轴向各月份每10延米微变形位移差最大值。图12分别列出了各方案厂房基础底板顶部轴线方向一年12个月份的温度微变形曲线。

图12 厂房基础底板顶部轴线的温度变形曲线
结合图12和表5可以得到：
方案1无保温措施时，在一年四季环境温度变化的作用下，微变形一年中有7个月不满足要求，厂房基础底板中间有重力墩支撑的底板部分每10延米竖直向位移变化幅度较大，两侧与桩基直接相连的底板部分每10延米竖直向位移相差很小，变化平缓。厂房基础底板每10延米的最大微变形差出现在冬季的1月份，已经超过了230 μm, 不满足微变形控制要求，需对结构采取措施以减小微变形差。
方案2将暴露在空气中的混凝土结构表面增设聚乙烯苯板保温层并将结构混凝土的线膨胀系数降低至0.53×10-5/℃后，每10延米的微变形差在全年中的每个月均满足要求。厂房基础底板中间有重力墩支撑的底板部分每10延米的竖直向位移变化幅度在一些月份有明显改善，对比两侧与桩基直接相连的底板部分每10延米的竖直向位移，微变形得到了控制。冬季的2月份每10延米的微变形差最大，达97.357 μm, 没有超过100 μm。
方案3将暴露在水和空气中的重力墩墙外表面增设聚乙烯苯板保温层后，每10延米的微变形差在全年的每个月均满足要求。厂房基础底板中间有重力墩支撑的部分每10延米的竖直向位移变化平缓，对比两侧与桩基直接相连的底板部分每10延米的竖直向位移已经相差不大，得到控制。此时，每10延米的最大微变形差为75.691 μm, 没有超过100 μm。
5 结 语
基于有限元热-应力耦合分析方法，采用瞬态温度场的分析，根据实测环境温度变化，可以合理模拟结构-地基整体体系的温度场，进而得到跨水库布置的精密仪器厂房基础在环境温度变化作用下的微变形。
不采取任何保温措施时，厂房基础底板每10延米的最大微变形差可超过230 μm, 远大于100 μm, 不满足微变形控制要求，且基础底板在有重力墩支撑和与桩基直接相连的相邻部位的竖直向位移变化剧烈，需对结构采取控制措施以减小微变形差。
数值计算表明，在重型桥涵外表面增设聚乙烯苯板保温层，避免外界气温随季节变化对重型桥涵混凝土结构稳定温度场的影响，结构温度场随季节变幅较小，温度作用减小；而优选混凝土骨料降低混凝土线膨胀系数，能显著减小温度作用下结构的温度变形，双管齐下能有效控制跨水库精密仪器厂房基础在环境温度变化作用下出现的微变形。
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