某碾压混凝土坝温度场与应力场分析

王 东,刘晓娟,高 强

(新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐830052)

碾压混凝土坝是近20多年来采用的新的筑坝技术,融合了常态混凝土坝的结构和碾压土石坝施工等优点[1]。由于碾压混凝土坝具有节约大量水泥、简化施工工艺、施工速度快、工程造价低和及早发挥工程效益等优点,该筑坝技术得到迅速推广。

一般来说,目前国内外对碾压混凝土坝的施工工艺、设计、质量控制、原材料和混凝土的热学,力学性能等方面的研究比较重视,而对碾压混凝土的温度场和温度应力场方面的研究却做得较少[2]。其中,模拟施工期碾压混凝土坝成层浇筑过程中温度场和应力场的仿真计算是一个重要研究课题。

本文采用二维有限元模型对某碾压混凝土坝的温度场和应力场进行仿真计算[3];在考虑基岩温度的影响下,对某碾压混凝土坝进行了温度场和应力场的分析。

1 计算原理

1.1 热传导方程[4]

1.2 初始条件

在初始瞬时,温度场是坐标(x,y,z)的已知函数 T0(x,y,z),即当τ=0时:

1.3 边界条件

式中:n为表面外法线方向。若表面是绝热的,则有:

式中:τ为混凝土龄期(h);a为混凝土导温系数(m2/h);λ为混凝土导热系数〔kJ/(m·h·℃)〕;T为温度;t为时间;T0为环境温度。

2 计算模型

模型取某碾压混凝土坝一典型截面作为研究对象,坝高58.8 m,坝顶宽9.4 m,坝底宽46.3 m。取该断面进行分析计算。整个结构采用四节点四边形单元映射划分的方式[5～7]。坐标系的坐标原点在坝踵处。向右为X轴正向,向上为Y轴正向。有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

3 计算参数

计算中所选取的参数就是表1和表2中的实验成果。

表1 基础垫层混凝土及坝体内部混凝土热学性能试验成果

表2 坝体混凝土绝热温升试验成果

4 结果分析

4.1 温度场计算结果分析

根据坝体温度场的模拟分析得出:

(1)由温度等值线图可以看出坝体的最高温度出现在靠近基岩的位置,其最高温度值是17.65℃。

(2)由图2和图3可以看出,混凝土的传热是由热源开始慢慢向周围传递的,随着时间的推移,其温度值最终会达到稳定。

(3)由图4可以看出,在28 d的时候,混凝土的温度值已经基本稳定了。

图2 3 d温度场

4.2 应力场计算结果分析

根据坝体温度场的模拟分析得出:

(1)由图5,图6可知,混凝土在3 d的温度应力沿坝趾方向最大值是214.267,最小值是-594.649。沿坝高方向最大值是710.988,最小值是-908.235。而且出现的位置主要就是在坝顶处,因为此处的温差较大。

图3 7 d温度场

图4 28 d温度场

(2)图7,图8是混凝土在7 d时温度应力场的分布,沿坝趾方向最大值是34.003,最小值是-61.161。沿坝高方向最大值是305.3,最小值是-341.006。随着传热时间的增加温差慢慢变小,所以7 d的温度应力与3 d的相比有明显减小的趋势。

图5 3 d X向应力场

图6 3 d Y向应力场

图7 7 d X向应力场

图8 7 d Y向应力场

(3)图9,图10反映出混凝土28 d的温度应力场,由于28 d时混凝土的温度值基本上已经开始趋于稳定,所以坝体的应力值已经变化不是很明显了,其X方向的最大值是9.504,最小值是-4.116。Y方向的最大值是34.845,最小值是27.692。

图9 28 d X向应力场

图10 28 d Y向应力场

(4)由以上分析可以知道碾压混凝土坝应力大小的决定因素就是温差,所以尽量保证混凝土施工期和运行期坝体温度的均衡是减小应力较直接有效的方式。

(5)由3 d,7 d,28 d的等效应力和等效应变图可知,随着传热时间的增加,其等效应力的最大值由912.093变为34.857,最小值由17.263变为0.187;等效应变的最大值由43.442变为1.137,最小值由1.628变为0.008。

5 结 论

(1)碾压混凝土的温度场和应力场仿真计算是水利工程比较关心的问题,对其进行仿真分析具有很重的工程应用价值和科研价值。应用该方法可以为工程的设计和前期准备提供一定的指导作用。

(2)由碾压混凝土坝仿真计算结果可看出,在考虑基岩温度时温度场和应力场分布的一般规律是:随着龄期的增加其混凝土各个层之间的温差越来越小,3 d时温差最大,28 d时基本上趋于稳定。对于这一问题应考虑采用特种混凝土来降低其产生的热量。

[1] 陈尧隆,李守义.高碾压混凝土重力坝温度应力和防渗措施研究[R].“九五”科技攻关报告,1999.

[2] 陈尧隆.寒潮引起的碾压混凝土坝温度应力计算[R].西安理工大学水利水电学院,1995.

[3] 王富耻.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[4] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1999.

[5] 李 权.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[6] 武思宇,罗伟.ANSYS工程计算应用教程[M].北京:中国铁道出版社,2004.

[7] 张朝晖.ANSYS工程应用范例入门与提高[M].北京:清华大学出版社,2004.