高拱坝温度应力分析研究

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1、http://www.paper.edu.cn300米级高拱坝的温度应力分析研究周慧敏河海大学工程力学系，南京(210098)E-mail：hmzhou1983@163.com摘要：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。关键词：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。

2、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t温度应力的原因之一。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0的坝体混凝土的温度差值∆T。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,要把这种温度变化所引起的拉应力限制在允许范围以内是非常不容易的。2.1混凝土温度应力的形成、影响及解决方案[1]张湧提出

3、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；混凝土浇注一段时间后，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。运行期时，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。[2，4，5]朱伯芳为了控制坝体的温度裂缝，需要沿拱向设置构造缝，多采用构造缝诱导缝，也可设置完全切断的无抗拉能力的横缝。[3]陈燕结合应力分析和施工进度计划

4、安排，坝高100m以下坝体主要是在低温季节浇筑，布置少量的诱导缝即可；而坝高100m以上坝体在高温季节浇筑，产生较大的高温区,增大了坝体的拉应力及其分布范围,使温度问题突出。2.2定温度场求解方法[6]严格地说，混凝土拱坝一般不存在稳定温度场，因为边界温度变化的幅度较小，影响拱坝内部深度有限，但拱坝厚高比在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。-1-http://www.paper.edu.cn[7-9]胥为捷介

5、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[7，11]中国水利水电科学研究院院士朱伯芳自编了我国第一个混凝土温度徐变应力有限元程序，并开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[12-13]体积混凝土温度应力仿真运算。潘家诤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

6、法。2.3.1运行期温度应力《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。[14]黎展眉用拱梁分载法分析计算拱坝的温度荷载，分别计算拱和梁经历全部温度变化的初始变位，然后协调其差值，在求出分载应力之后，拱应力还应叠加上纯拱的初始温度应力；而静定结构的梁，无初始温度应力，故梁的温度应力即为分载应力。2.3.2浇筑期温度应力[17]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，张宇鑫提出的补

7、[18-21]偿方法能解决差分法计算中热量损失的问题，即能够保证绝热温升总量不变；陈令建给[11]出了较简单的混凝土浇筑过程温度应力公式；朱伯芳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,中国针对普定、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。[27]陈秋华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[28-30]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[31

8、-32]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；解凌飞采用多拱梁法、三维有限元法对小湾拱坝进行全过程仿真分析，得到了其温度场及温度应力变化的一般规律。计算结果表明，多拱梁法计算结果与有限元法的