基于等效龄期的碾压混凝土重力坝温度应力场数值分析

摘要

近年来碾压混凝土重力坝在国内外的水电工程中被广泛应用，然而坝体在施工期的开裂现象依旧存在，最主要的一个原因就是温度应力。因此有必要对坝体进行精细的数值耦合分析，比较坝体各部位应力对温度的敏感性。
　　本文为了验证混凝土强度对温度的敏感性，先基于Arrhenius函数等效龄期方法，进行了水工混凝土在不同养护温度下的强度试验，验证了等效龄期方法的适用性。然后在参考龙滩碾压混凝土坝原材料试验数据资料的基础上，拟合了碾压混凝土弹性模量、徐变度、劈裂抗拉强度与龄期之间的相互关系。根据碾压混凝土分层上升浇筑的特点，运用大型通用有限元ANSYS软件中的生死单元模块、参数化设计语言APDL命令流技术，实现了碾压混凝土重力坝挡水坝段复杂随机施工过程的数值模拟，并用现场温度实测数据加以验证;另外，不同的浇筑湿度和夏季停工因素也在温度场结果分析中加以比较。应力场分析时，本文首次将普通混凝土中的Arrhenius函数等效龄期理论引入碾压混凝土重力坝温度应力场分析中;并因此选择了2种不同的计算方案，以对比实际龄期、等效龄期这2种计算方案对坝段应力场分布的不同影响，并采用开裂系数评价坝体各部位开裂风险对温度的敏感性，从而反映温度对碾压混凝土坝体材料性能的影响。
　　计算结果表明，考虑等效龄期时，相比实际龄期，能大幅度减少各高程节点拉应力峰值。而不管采用何种方案，高温季节施工层面的外部节点都有较明显的拉应力峰值，而低温季节施工层面的外部节点拉应力峰值则很小。
　　考虑实际龄期时，施工期y方向应力最大值均出现在坝体的基础强约束区。而考虑等效龄期时，y方向应力呈现明显的纵向分布特征，而不再是沿坝高方向的季节性特征，基础强约束区和基础弱约束区y方向应力值也较小。
　　考虑实际龄期时，基础强约束区中心节点沿y方向的后期开裂指数较大，如果不采取防护措施，就会产生基础部位水平裂缝。当考虑等效龄期时，各高程中心节点均不会发生沿顺河向的垂直裂缝，更绝对不会在碾压层面产生水平裂缝。
　　等效龄期的计算方法重新评估了坝段各部位尤其是基础强约束区的开裂风险，表明温度对碾压混凝土重力坝材料性能和各部位的应力分布有着明显影响。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 碾压混凝土坝施工仿真的研究背景和意义

1．2 碾压混凝土坝国内外的发展概况

1．3 碾压混凝土坝体施工

1．3．1 碾压混凝土生产系统

1．3．2 碾压混凝土运输系统

1．3．3 碾压混凝土填筑系统

1．4 碾压混凝土坝温度场与应力场的研究方法

1．4．1 碾压混凝土坝温度场研究方法

1．4．2 碾压混凝土坝温度应力场研究方法

1．5 碾压混凝土坝温控仿真研究现状

1．5．1 碾压混凝土坝温控仿真研究概况

1．5．2 碾压混凝土坝温控仿真研究存在的主要问题

1．6 本文研究的主要内容

第二章 仿真分析可行性研究与等效龄期方法

2．1 RCCD施工ANSYS分析可行性研究

2．1．1 实体与模型统一性

2．1．2 实现过程

2．1．3 热应力ANSYS分析时的主要问题

2．2 碾压混凝土开裂评价

2．2．1 碾压混凝土层面结构

2．2．2 碾压混凝土开裂指数

2．2．3 碾压混凝土强度预测模型

2．3 混凝土的等效龄期

2．3．1 成熟度方法

2．3．2 Arrhenius函数

2．4 基于等效龄期的混凝土强度试验

2．4．1 试验材料

2．4．2 试验配合比

2．4．3 试验结果对比

2．4．4 后处理APDL程序

第三章 碾压混凝土重力坝温度应力场有限元计算原理

3．1 温度场有限元计算原理

3．1．1 稳定温度场

3．1．2 瞬态温度场

3．2 变分原理

3．2．1 三维稳态温度场变分原理

3．2．2 三维瞬态温度场变分原理

3．3 重力坝徐变应力场的有限元计算原理

3．3．1 混凝土的变形

3．3．2 混凝土的徐变变形

3．3．3 混凝土徐变应力分析的隐式解法

第四章 碾压混凝土重力坝工程仿真基本资料

4．1 工程基本资料

4．1．1 工程概况

4．1．2 坝体混凝土材料分区

4．1．3 气温资料

4．2 坝段浇注进度安排

4．3 坝段混凝土材料热力学试验性能

4．3．1 混凝土材料配合比

4．3．2 混凝土材料的热学性能

4．3．3 混凝土材料的力学性能

4．3．4 混凝土材料的徐变性能

第五章 碾压混凝土重力坝施工期温度应力场数值计算结果

5．1 有限元计算模型

5．2 施工期温度场计算结果

5．2．1 程序验证

5．2．2 温度场分布云图

5．2．3 坝段温度逐时变化曲线

5．2．4 典型高程节点时间历程结果

5．2．5 浇筑温度对温度场的影响

5．2．6 夏季停工对温度场的影响

5．3 施工期应力场计算结果

5．3．1 典型高程节点应力时间历程曲线

5．3．2 坝段应力场分布云图

5．3．3 坝段施工期开裂指数逐时曲线

5．4 本章小结

第六章 结论及展望

6．1 主要结论

6．2 研究展望

参考文献

作者简介