某碾压混凝土溢流坝段温控计算分析.pdf
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1、西安理工大学学报 J o u rna l o f X i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ( 2 0 1 0 )V o 1 2 6 N o 4 4 4 3 文章编 号 : 1 0 0 6 - 4 7 1 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 4 4 3 - 0 6 某碾压混凝 土溢流坝段 温控计算分析 任金珂 ,李 守义 ( 西安理工大学 水利水 电学 院 , 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 ) 摘要:基于热传导理论、 弹性理论和温度场、 温度徐 变应力场有限元计 算方法, 模拟碾压混凝土溢 流坝施工过程、 混凝土分 区
2、、 外界 气温、 温控措 施等, 仿真计 算 了坝体基础强约束区、 弱约束 区、 非 约束区、 间歇 面影响 区在施工期和运行期任意时刻 的温度和温度应 力变化过程及分布规律 , 并提 出 了方便 施 工 、 节省 工程投 资 的温控 设 计方 案。 关键词 : 碾压混凝土坝;仿真计算;温度应力;温控措施 ; 中图分类 号 : T V 3 1 8 文献 标 志码 : A An An a l y s i s o f Te mpe r a t ur e Co n t r o l Ca l c u l a t i o n o f a RCC Ov e r flo w M o n o l i t h
3、RE N J i n k e,L I S h o u y i ( F a c u l t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o e l e c t r i c E n g i n e e r i n g , X i a n 7 1 0 0 4 8 , C h i n a ) Ab s t r a c t :Ba s e d o n he a t c o n du c t i o n t h e o r y a n d e l a s t i c t he o ry ,t h e fin i t e e l e me n t c a l
4、 c u l a t i o n e q u a t i o n s o f t e mp e r a t u r e fie l d a n d c r e e p t he r ma l s t r e s s f i e l d,t h e c o n s t r u c t i o n pr o c e s s ,c o n c r e t e b o d y d i v i s i o n,o u t s i d e a i r t e mp e r a t u r e a n d t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s o
5、 f t h e RCC o v e r f l o w d a m a r e s i mu l a t e dT he s i mu l a t i o n c o mp u t a t i o n i s ma d e o f t h e s t r o n g c o n s t r a i n t z o ne,we a k c o n s t r a i n t z o n e,n o n c o n s t r a i n t z o ne a n d i n t e r v a l s u r f a c e a f f e c t e d z o n e o f t h e
6、d a m b o d y f o u n d a t i o n d u r i n g t h e c o n s t r u c t i o n pe rio d a s we l l a s o f t he v a r y i n g p r o c e s s o f t e mp e r a t ur e a n d t e mp e r a t u r e s t r e s s a n d t he i r d i s t rib u t i o n l a ws a t a n y t i me d u rin g t he o pe r a t i o n p e rio
7、 d Al s o,t h i s pa p e r s u g g e s t s t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l de s i g n s c h e me c o n v e n i e n t f o r t h e c o n s t ru c t i o n a n d s a v i n g e n g i n e e r i n g i n v e s t me n t Ke y wo r ds:RCC da m ;s i mu l a t i o n c a l c u l a t i o n;t h e rm a l s t
8、 r e s s;t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s 碾压混凝 土筑 坝技 术具 有节 省水 泥 、 施 工 简 便 、 缩短工期 、 造价低廉等优点 , 但碾压混凝土坝 的 温度应力是制约简化温控 措施 、 加快施工进度 、 降 低工程造价 的主要 问题 。实践证明, 绝大多数混凝 土坝的裂缝都是在施工期 间 由于温度变 化而引起 的 4 。 。国内外学者对大体积混凝土结构的温度应 力进行 了大量的研究 , 取得 了卓 有成效 的结果 。 但 由于碾压混凝土坝 温度应力 的复杂性 , 许多问题 还难于彻底弄清 。为 了预防碾压混
9、凝土坝温度 应力引起的裂缝 , 根据某工程碾压 昆 凝土坝施工进 度和温控措施 , 全面考虑 了坝体薄层 浇筑过程 、 气 候条件和浇筑温度等 , 初拟 9种温控方案进行仿真 计算 , 分析 了各 方案的温度 、 应力变化 过程及分 布 规律 , 提出了推荐方 案 , 为 该工程温控设 计和施工 提供依据。 1 计算原理 1 1 稳定温度场有限元计算 根据热传导理论 , 稳定温度场 T ( , Y , z )在区域 R内应满足拉普拉斯方程 J : 0 2 T + 磐+ 警: 0 ( 1 ) , 0 , 一 , d o y o 孟 将计算域离散为若 干个 8结点空 间实体 等参 元 , 取温度模
10、式为: T = N 。 1 l ,w ( 2 T + 0 2 T + 窘 )捌 y 出 = o ( 2 ) 取权函数 等于形函数 , 并进行分部积分 , 代入边界条件 , 并对所有单元求 和, 得 到求解稳定 收稿 日期 : 2 0 1 0 -03 -06 作者简 介:任金珂 ( 1 9 7 8 一 ) , 男 , 甘肃镇原 人 , 博士生 , 研究方向为水工结构计算机仿真 。李守 义 ( 1 9 5 5 一 ) , 男 , 甘肃庄浪人 , 博士 , 教授 , 博导 , 研 究方向为水工结构应力分析 。E m a i l : l s y 1 2 3 x a u t e d u c n 。 西安
11、理工大学学报( 2 o l o ) 第 2 6卷第4期 温 度 场 的 方 程 , 冥 矩 l浑彤 式 为 : I n + E N I d s 。 = ( 3 ) 1 2 非稳定温度场有限元计算 根据热传导理论 , 非稳定温度场 T ( , y , , t )应 满足下列偏微分方程 : O T : ( 窘+ 窘+ a 2 _r l + o 0 ( 4 ) 对泛定方程( 4 )在三维空间域 R内应用加权余 量法 , 得 : w if g以 r。 + ,a92 + , 92 T ( 一 等 ) 】 出 : 0 ( 5 ) 采用伽辽金方法在空问域取权函数等于形函数, 经过推导, 最后得到求解非稳定温
12、度场的方程如下 : ( 日 + c 3 ) I r - = ( P 。 + P 。 ) 一 ( 日 一 C ) l T I 。 式中, T 0= ( r o ) , T 。= T ( r 。+A r ) t , P 。= P( r 。 ) , Pf = P( 。+ ) 。 日 = 珂 曰 + E N i d s ) c = 吉 坷 P = 珂 吉 + ) 当 :0时 , 初始条件与边界条件可能不协调 , 因而在第一个 A r 时段内, 不能使用加权余量法而应 采 用 盲 椿 尊 分 法 引 a T T 一 f 0 =一 a r r 1 3 温度应力有限元计算 弹性体内各点的变温为 T , 为热
13、膨胀系数 , 于 是弹性体内各点的应变分量可表示为 : 8 s v s z aT : = = 0 变温等效结点荷载为 : P =fJ f 曰 nD d x d y d z 由变温等效结 点荷 载求得位移: 。 = 。 , 为单元刚度矩阵, 则温度应力为: = D 曰 艿 一 D 混凝土结构在复杂应力状态下的应 变增量要 考虑徐变应变增量 以及其它初应变增量。 混凝土徐 变表达式见文献 5 。 将温度应变增量 、 徐变应变增量以及其它应变 增量作为初应变增量 计算位移增量 。 。 由单元位移增量 计算单元应力增量 t o - 。 再将应力增量与前一时刻的应力值迭加, 得到该时 刻的应力值 。 2
14、 工程概况和基本资料 某工程拦河坝为碾压混凝土重力坝 , 溢流坝段 的坝基面高程 1 2 0 5 0 m, 堰顶高程 1 2 8 8 0 m, 坝高 8 3 0 m, 坝段长度 2 0 0 m, 坝底宽度 7 5 0 m。坝体 上 、 下游面为二级 配碾压 混凝土 , 坝体 内部为三级 配碾压 混凝土 。 坝址 区历年的月平均气温和水温见表 1 , 混凝 土热学性能参数见表 2 , 施工进度和浇筑温度见表 3 , 混凝土允许应力见表 4 。 表 I 坝址区历年月平均气温和水温 T a b 1 Mo n t h l y me a n a i r t e mp e r a t u r e a n
15、d w a t e r t e mp e r a t u r e f o r p a s t y e a r s a t t h e d a m s i t e RI C1 8 Ol 5W4F5 0 2 4 28 0 9 5 4 6 0 O O 4 0 3 3 9 58 RI I C1 8 0 2 OW 8 F1 o 0 2 4 3 3 0 9 5 7 6 0 0 04 08 3 9 5l CI I C 2 8 2 0 W8 F 1 0 o 2 4 0 3 0 9 3 5 8 0 0 0 3 5 4 0 8 3 2 5, 、 = 4 = 9 = 任金珂等 : 某 碾压混凝 土溢流坝段温控计算分
16、析 4 4 5 表 3 施工进度和浇筑温度 Ta b 3 Co n s t r uc t i on s c he d u l e a n d c a s t t e mpe r a t u r e 表 4 混凝 土力学性能参数 Ta b 4 Me c h a n i c a l p r o p e r t y p a r a me t e r s o f c o nc r e t e 3 计算模型及计算方案 溢流坝段 的计算模 型取坝轴线方 向两横缝 之 间的整个坝段 。整体坐标 系的坐标原点 位于坝段 左侧坝踵处 。坝轴线指 向右岸 为 轴正向, 下游方 向为 Y轴正向 , 铅直 向上为 轴
17、正 向。计算模 型在 坝基深度方向取 1 0 0 m, 上游方 向取 1 0 0 m, 下游方 向也取 1 0 0 m。温度场计算 中的边界条件 : 地基底 面和 4个侧面以及坝段横缝面为绝热边 界条 件 , 坝 体上 、 下游面在水位以上 为第 三类边界条 件 , 水 位 以下为第一类 边界条件。应 力场计算 中的边界 条 件 : 地基底面按 固定支座处理 , 地基在上 、 下游方向 按 Y向简支处理 , 其余为 自由边界。溢流坝段计算 模 型见 图 1 。 图 1 计算模 型与坐标系 Fi g 1 The c a l c u l a t i o n mo d e l a n d c o o
18、 r di n a t e s y s t e m 根据施工进度 、 气候条件和温控措施 , 初拟 9种 计算方案( 见表 5 ) 进行计算分析。冷却水管的模拟 方法参见文献 5 。 西安理工大学学报( 2 0 1 0 )第2 6卷第4期 表 5 溢流坝段温控计算方案 Ta b 5 Te mp e r a t u r e c o n t r o l c a l c u l a t i o n s c h e me o f o v e r f l o w mo n ol i t h 注 : 浇筑进度见表 4 。 4 温度场和温度应力计算分析 根据水库上下游正常水位及 1 月份和 7月份的 水温分
19、布、 平均气温等参数对稳定温度场进行计算 分析, 得到坝体内部稳定温度为 l 3 5 左右。 根据混凝土热力学参数和施工进度安排 , 对 9 种温控方案分别进行 了施工期和运行期全过程温 度和应力仿真计算。由于施工期和运行期温度场 随时间变化 , 每个工况施工期的计算步长取为 0 2 5 天 , 运行期取 0 5天至 3 0天的变步长。每计算一步 都给出了坝体每个结点的温度和应力值 , 计算中运 35 3 0 25 越2 0 赠 1 5 l O 5 0 行期时长取为 3 0年 , 计算结果 的数据量非常庞大。 根据设计和施工需要 , 为 了分析坝体温度和应力变 化规律 , 施工期仅给出每月末和
20、施工期末横剖面的 温度和应力等值线图; 运行期 由于 1月底外界温度 最低 , 7月底外界温度最高, 因此 , 运行期仅给出 1 、 7 月底坝体横剖面的温度 和应力等值线 图。同时还 给出坝段在高程 1 2 1 1 m、 1 2 1 4 m、 1 2 1 7 m、 1 2 2 3 n l 水平面上典型点 ( 上游点 、 中问点和下游点) 的温度 和应力历时曲线。限于篇幅, 本文仅给出推荐方案 高程 1 2 1 1 m水平面上典型点历时曲线 ( 见图 2 5) 图2 推荐方案高程 1 2 1 1 0 m水平面典型点温度历时曲线 Fi g 2 Th e t e mpe r a t ur e d
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