高寒地区碾压混凝土重力坝劈头裂缝温度应力仿真计算研究

摘要

碾压混凝土重力坝属于大体积混凝土结构,表面与空气或水接触,外界温度变化、水泥产生的水化热以及自身约束等各种因素的作用将在结构内部或表面出现拉应力,因此,在大体积混凝土结构中往往会出现裂缝。高寒地区水库蓄水以后经过一段时间已出现的表面裂缝可能会突然大范围的扩展,成为劈头裂缝。不少混凝土重力坝在上游面产生的劈头裂缝,裂缝深度达到几十米,有的甚至将整个坝段一分为二,引起严重漏水,危及坝的安全。因此对劈头裂缝的研究显得尤为重要。在大体积混凝土结构中,引起裂缝的最大因素是温度变化,温度变化对结构的应力状态有重要影响,温度应力在数值上可能超过其它外荷载引起的应力。因此,研究温度场、温度应力的分布及规律,就是为了解决大体积混凝土的温度裂缝及裂缝控制等问题。本文依据大体积混凝土的温度场和温度应力场的有限单元法计算理论,以大型通用软件ANSYS为平台,采用APDL语言编制了碾压混凝土重力坝施工期和运行期的温度场、温度应力场的仿真计算程序。该程序在编制过程中按实际工况考虑了碾压混凝土分层浇筑、施工间歇、弹性模量变化、混凝土表面保温、绝热温升过程、环境温度的变化、混凝土徐变等因素对坝体温度场及应力场的影响。用“生死”单元模拟混凝土的浇筑过程。计算出来的结果可以比较真实的反映坝体温度场和温度应力场的工作性态。本文结合某高寒地区的碾压混凝土重力坝的实际工况,进行模拟分析,针对已经产生劈头裂缝的坝段进行成因分析,并且提出一系列可行的处理措施及其预防措施,从而达到防治裂缝的效果。研究发现出现劈头裂缝主要是由于坝体上游面产生了较大的沿坝轴线方向的拉应力。廊道上部混凝土于2008年5月份浇筑,至2008年7月廊道上游侧至坝体上游面出现较大的沿坝轴线方向的拉应力,此时混凝土抗拉强度尚较低,因此在廊道上游侧至坝体上游面可能出现劈头裂缝；随着廊道内温度的降低,廊道顶部沿坝轴线方向的拉应力继续增大,后期在廊道顶部也极易出现垂直于坝轴线方向的裂缝。本文温度场和温度应力场的计算成果将对类似工程劈头裂缝方面的研究提供一定的参考和借鉴作用。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 碾压混凝土坝的发展及特点

1.1.1 碾压混凝土坝的发展

1.1.2 碾压混凝土坝的主要特点

1.2 劈头裂缝

1.2.1 裂缝分类及其成因

1.2.2 劈头裂缝的形成

1.2.3 劈头裂缝影响

1.2.4 劈头裂缝的国内外研究现状

1.3 碾压混凝土坝温度应力场的研究意义及现状

1.3.1 碾压混凝土坝温度应力场的研究意义

1.3.2 碾压混凝土坝温度应力场的研究现状

1.4 混凝土坝温度场、温度应力场的研究方法

1.4.1 温度场的研究方法

1.4.2 温度应力场的研究方法

1.5 本文的主要内容

2 计算原理及公式

2.1 温度场基本理论

2.1.1 热传导微分方程

2.1.2 温度场中的几个基本概念

2.1.3 导热问题的定解条件

2.2 三维有限元基本理论

2.3 大体积混凝土温度场的有限单元法

2.3.1 混凝土主要温度特性参数说明

2.3.2 稳定温度场有限元计算公式

2.3.3 非稳定温度场有限元计算公式

2.4 温度应力有限元计算公式

2.4.1 由变温引起的等效结点荷载计算

2.4.2 弹性体变温应力的有限元计算

2.5 混凝土徐变应力分析

2.5.1 混凝土的变形

2.5.2 混凝土的徐变变形

2.5.3 混凝土温度徐变应力分析的有限单元法

2.6 小结

3 ANSYS在混凝土温控计算中的应用

3.1 ANSYS热分析简介

3.1.1 控制微分方程

3.1.2 ANSYS热分析的传递方式

3.1.3 ANSYS热分析的边界条件和初始条件

3.1.4 ANSYS热分析的种类

3.2 用ANSYS模拟混凝土温度场的可行性

3.3 计算仿真技术处理

3.4 小结

4 工程实例

4.1 工程概况

4.2 工程基本资料

4.2.1 坝址气温水温

4.2.2 碾压混凝土热力学性能指标及其材料分区

4.3 蓄水过程及其施工进度

4.4 温控计算方案

4.5 劈头裂缝的出现

4.6 计算模型及坐标系

4.7 计算成果分析

4.7.1 非稳定温度场计算成果分析

4.7.2 温度应力场计算成果分析

4.7.3 劈头裂缝成因分析

5 碾压混凝土大坝劈头裂缝处理措施研究

5.1 碾压混凝土温控防裂特点

5.2 特殊气候条件下的碾压混凝土坝的温控措施

5.3 碾压混凝土坝的劈头裂缝防裂措施

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录