300米级高拱坝的温度应力分析研究

周慧敏 中国建筑西南设计研究院有限公司 610081

300米级高拱坝的温度应力分析研究

周慧敏 中国建筑西南设计研究院有限公司 610081

用三维有限元法分析了高拱坝运行期温度荷载及温度应力，对温度荷载及温度应力的重要参数及控制方程进行了系统的分类与总结。结合工程实际，给出了算例验证分析结果。

混凝土拱坝;温度应力;ANSYS;三维有限元;仿真分析

1.问题的提出

我国的混凝土拱坝设计规范已明确规定温度荷载是高拱坝最主要的荷载之一。大量研究结果表明：拱坝的温度应力比其它种类应力的总和还要大。温度应力和水压、体力形成最不利组合，可能对拱坝的整体稳定性产生影响。

2.拱坝的温度荷载与温度应力

运行期间的温度荷载是指封拱蓄水后，某计算时刻t相对封拱时刻t0的坝体混凝土的温度差值ΔT。运行期大坝蓄水后对坝体温度分布产生很大影响。上游坝面温度为库水的温度，下游坝面接近大气温度，因此在运行期大坝蓄水后，大气温度与库水温度的差异是坝体上下游产生温度应力的原因之一。在拱坝的设计中，通常要求不出现拉应力或者出现很小的拉应力，要把这种温度变化引起的拉应力控制在允许范围内很不容易。

2.1 混凝土温度应力的形成、影响及解决方案

张湧[1]提出浇筑期混凝土温度应力的形成主要因素：水化热；高拱坝混凝土体积大，聚集在内部的水泥水化热不容易散发，而混凝土表面散热较快，形成了温度差；混凝土浇筑一段时间后，混凝土的温度会逐渐下降引起收缩，混凝土中80%的水分要蒸发促使混凝土硬化时收缩。运行期间，由于拱坝相对其它坝型坝体较薄，对外界温度（气温、地温、库水温度、寒潮）的变化比较敏感。

温度控制措施主要有：材料方法、施工方法、结构方法。

2.2 定温度场求解方法

严格地说[2]，混凝土拱坝一般不存在稳定温度场，但因为边界温度变化的幅度较小，影响拱坝内部深度有限，拱坝厚高比在0.210以上时，可以将年平均温度近似看成稳定温度场。这样在计算稳定温度场时，把水温的年平均温度看作为坝体的温度边界值，坝体在此边界条件下的温度场即为稳定温度场。

胥为捷[3]介绍了温度作用的特点及温度荷载的分类、影响因素和温度场的3种计算方法:①按Fourier的热传导方程求解；②按近似数值求解；③按半理论半经验公式求解。

2.3 应力求解方法

图1 工况1上游

图2：工况2上游

中国水利水电科学研究院院士朱伯芳[4]自编了我国第一个混凝土温度徐变应力有限元程序，并开创性地将其应用于三门峡坝底孔温度应力分析中，实现了我国历史上首次大体积混凝土温度应力仿真运算。潘家诤[5]等提出了大体积混凝土温度控制设计的整套理论，解决了浇筑温度计算，水泥水化热和绝热温升计算，外界温度计算（气温、库水温度、日照辐射等）计算，结构温度场的差分解和有限元解法。

2.3.1 运行期温度应力

按《混凝土拱坝设计规范》（SD145—85）中附录二的规定，计算出平均温度及等效线性温差作为温度荷载，将拱坝分为拱梁，用程序（水科院结构所的多拱梁法程序）计算出拱梁结点的规范温度应力。黎展眉[6]用拱梁分载法分析计算拱坝的温度荷载。

2.3.2 浇筑期温度应力

常规方法:对于常规混凝土，浇筑初期由差分步长引起的误差较大，张宇鑫[7]提出的保证绝热温升总量不变的补偿方法能解决差分法计算中热量损失的问题；朱伯芳[4]院士提出了多层混凝土结构仿真应力分析的“扩网并层算法”、“分区异步长算法”等理论。

3. 工程中的温度荷载

在拱坝温度荷载数值分析和理论研究方面,中国针对溪柄、沙牌、小湾、锦屏等已建和在建的拱坝进行了温度荷载仿真计算。

陈秋华[8]开展沙牌拱坝的温度荷载及温度应力分析，沙牌拱坝许多成果及经验已推广应用到石门子、龙首、蔺河口、招徕河等高碾压混凝土拱坝工程的设计和施工中；钱向东[9]提出了弹性有限元——等效应力法，结合二滩双曲拱坝、龙滩讨论了其应用。

4. 研究的主要内容

有限元分析软件ANSYS具有强大的热分析功能，计算结果合理。对于温度荷载效应，下面通过算例及一个具体的工程实例分析，讨论拱坝温度荷载效应：

4.1 计算模型及参数

本次研究采用了两个拱坝体型，均为抛物线双曲拱坝。计算模型中所采用的直角坐标系是：X轴指向下游，Y轴竖直向上，Z轴指向左岸。

计算考虑的范围为：

300m拱坝：最大坝高为300m，最大拱轴线长为812m，坝顶厚度为12m，拱冠底部厚度为73m。基岩向上、下游、两岸均延伸一倍坝高，向纵深延伸40m；100m拱坝：最大坝高为100m，坝顶厚度为63m，拱冠底部厚度为73m。最大拱轴线长为414m。基岩向上、下游、两岸均延伸一倍坝高，向纵深延伸40m。

模型计算范围的确定充分考虑了河谷两岸的对称性。模型共概化为2种材料。下面列出了坝体混凝土材料的热力学参数指标。

图3 工况3上游

图4 工况4上游

（1）材料参数取值

表1 材料参数取值

（2）边界条件

按月平均温度场计算时以月为单位,边界条件取多年月平均温度;按日平均温度场计算时以日为单位,根据气温、水温、地温等监测资料取值。

（3）在研究坝体的温度场和温度应力时采用下列假设:

○坝体及基岩两者的热学性能都是均匀的、各向同性的，而且不随温度的变化而改变；

○温度场是稳定的，稳定温度场取为年平均温度；

○坝体及基岩都是均匀的、各向同性的完全弹性体(弹性模量E及泊松系数μ都是常量)。

4.2 计算分析

工况1：坝高300m 正常蓄水位（上游水位高257米，下游水位高22米）+坝体自重

工况2：坝高300m 正常蓄水位（上游水位高257米，下游水位高22米）+坝体自重+温度（300米坝共分成七层，最高层40℃，以每层5℃递减，最低层5℃）

工况3：坝高100m 正常蓄水位（上游水位高57米，下游水位高22米）+坝体自重

工况4：坝高100m 正常蓄水位（上游水位高57米，下游水位高22米）+坝体自重+温度（100米坝共分成三层，最高层15℃，以每层5℃递减，最低层5℃）

利用给定的参数，对该拱坝在温度荷载与水压力的组合情况下进行计算，由图可见：

（1）比较工况2、4，温度应力分布规律相近；

（2）比较图3和4，坝顶层拱圈各点的拱向拉应力增大，温度荷载与满库水压力组合可能产生较大的拉应力；

（3）比较图1和2，3和4，水压与温度荷载组合情况下，可能产生较大的拉、压应力；

（4）各种荷载组合下，坝顶层拱圈各部位、各层拱圈的拱冠上下游面、拱冠梁底附近的上下游面，可能是高应力区或产生控制性拉、压应力的部位；

（6）所有工况下，考虑温度荷载后，坝体位移都增大了。

5. 结论

综上，考虑温度荷载后坝体的应力状态比不考虑温度的情况要复杂且不利得多，所以大坝设计时应把温度因素综合考虑进去。

[1]张湧,刘斌,贺拴海,白剑.桥梁大体积混凝土温度控制与防裂.长安大学学报(自然科学版).2006年5月，第26卷，第3期

[2]梅明荣.引子渡碾压混凝土拱坝运行期温度应力及坝肩岩体应力的计算分析.国家重点科技项目（攻关计划）.引子渡碾压混凝土拱坝温度控制研究（报告之二）

[3]胥为捷,薛伟辰.混凝土结构温度作用研究进展.结构工程师.2007年6月,第23卷第3期。

[4]朱伯芳.从拱坝实际裂缝情况来分析边缘缝和底缝的作用.水力发电学报.1997年第2期。