碾压混凝土坝设人工短缝温度应力的仿真分析

摘要

对大体积混凝土建筑物,如挡水大坝,温度应力和温度控制一直是其建设中的瓶颈问题。温度应力是坝体产生裂缝的最主要原因之一。对碾压混凝土坝,虽然水化热温升较常态混凝土坝低,但由于其材料特性和施工特点,坝体内不容置疑地存在着温度应力问题,特别是在自重和水压力作用下,坝踵附近一定范围内存在高应力区,拉应力值较大。复杂温控措施的采用将明显地增加工程造价,影响工程的施工进度。本文研究建坝初期在坝踵附近设一条水平人工短缝,其功能主要是释放拉应力,在规定部位用人工的稳定缝替代由于结构应力作用而产生、在部位及开裂方向均为随机的不稳定裂缝。本文采用三维有限元浮动网格法仿真程序来计算坝体的温度场和温度应力场,对坝体的人工短缝处采用接触单元模型来模拟,根据热传导理论、弹性徐变理论、有限元理论及接触单元计算原理,作者编制了能模拟接缝的碾压混凝土坝温度场和温度应力场三维有限元仿真计算程序。该程序在编制过程中考虑了碾压混凝土分层浇筑、施工间歇、弹模变化、绝热温升过程、环境温度的变化、混凝土徐变、坝体接缝等因素对坝体温度场及温度应力场的影响。本文通过一典型算例对碾压混凝土坝设与不设短缝两种方案施工期和运行期的温度场、温度徐变应力场进行了全过程仿真分析,较为系统的研究了设短缝对坝体应力场的影响。计算结果表明设人工短缝能显著降低坝踵附近的拉应力,但它将坝体拉应力区引入了坝体内部,因此须在缝附近采取适当措施来防止裂缝向内开展。计算结果符合一般规律,证明该程序是正确的,具有很大的实用性。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 碾压混凝土坝筑坝技术现状及其特点

1.1.1 碾压混凝土筑坝技术现状

1.1.2 碾压混凝土坝的主要特点

1.2 研究碾压混凝土坝温度应力的必要性

1.2.1 混凝土坝的温度应力问题

1.2.2 碾压混凝土坝的温度应力问题

1.3 碾压混凝土坝温度场和应力场的研究方法

1.3.1 碾压混凝土坝温度场的研究方法

1.3.2 碾压混凝土坝温度应力场的研究方法

1.4 碾压混凝土坝温度应力的研究现状

1.5 问题的提出及研究的意义

1.6 本文研究内容

2 温度场和温度徐变应力场三维有限元计算原理

2.1 热传导基本理论

2.1.1 热传导方程

2.1.2 导热问题的定解条件

2.2 三维有限元基本理论

2.3 稳定温度场三维有限元计算公式

2.4 非稳定温度场有限元计算公式

2.5 温度应力有限元计算公式

2.5.1 由变温引起的等效结点荷载计算

2.5.2 弹性体变温应力的有限元计算

2.6 混凝土徐变应力分析

2.6.1 混凝土的变形

2.6.2 混凝土的徐变变形

2.6.3 混凝土温度徐变应力分析的有限单元法

3 三维有限元浮动网格法和接触单元有限元计算原理

3.1 三维有限元浮动网格法

3.2 接触单元

3.2.1 接触单元的发展

3.2.2 接触问题的解法

3.2.3 接触条件

3.2.4 计算原理

3.2.5 计算步骤

3.2.6 有限元法的应力平滑矩阵

3.2.7 接触等参元的应力磨平

4 程序编制及其验证

4.1 程序总体结构

4.2 程序各部分功能设计

4.2.1 前处理系统设计

4.2.2 程序内核系统设计

4.2.3 后处理系统设计

4.3 用接触单元模拟人工短缝计算程序的难点

4.4 计算程序流程图

4.5 程序验证

5 工程算例分析

5.1 工程概况

5.2 基本资料

5.2.1 气温和水温

5.2.2 混凝土热力学参数

5.2.3 施工进度及蓄水过程

5.3 计算方案及计算模型

5.3.1 计算方案

5.3.2 计算模型

5.4 计算结果分析

5.4.1 稳定温度场成果分析

5.4.2 非稳定温度场成果分析

5.4.3 温度应力成果分析

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

附录