盖下坝水电站施工期温度应力及损伤仿真分析

'第38卷第10期2012年10月水力发电益下坝水电玷施工期温度应力及损伤仿真分析徐闭，朱为玄，邓爱民，孙伟伟(河海大学力学与材料学院，江苏南京210098)摘要：结合盖下坝水电站工程实际情况，采用ANSYS软件及其二次开发技术，对该混凝土拱坝施工期的温度场和应力场进行全过程的三维仿真计算，得出施工期最高温度和最大温度应力。同时，利用损伤有限元程序对该大坝进行了损伤仿真计算，得出施工期重要时刻的损伤场。仿真结果表明，在合理的温控措施下，大坝施工期温度应力远小于设计容许值，损伤值也较小，施工期不会出现宏观裂缝。关键词：拱坝；温度场；应力场；损伤场；盖下坝水电站SimulationonThermalStressandDamageofGaixiabaDamduringConstructionPeriodXuChuang，ZhuWeixuan，DengAimin，SunWeiweifCollegeofMechanicsandMaterials，HohaiUniversity，Naming210098，Jiangsu，China)Abstract：AccordingtotheactualpouringofGaixiabaArchDam．thethree—dimensionalthermalandstressfieldsofdamduringwholeconstructionperiodaresimulatedbyusingANSYSanditssecondarydevelopedprograms，andthemaximumtemperatureandthermalstressareobtained．Atthesametime，thedamagestatusofdamisalsosimulatedbyself-developeddamagefiniteelementprogram，andthedamagefieldsofdaminsomekeyconstructionmomentsareachieved．Thesimulationsshowthatthethermalstressofdamismuchlessthanthedesignallowablevalueandthedamagevalueissmallerafterimplementingreasonabletemperaturecontrolmeasures．andthedamwillnotappearmacrocrackduringconstructionperiod．KeyWords：archdam；temperaturefield；stressfield；damagefield；GaixiabaHydropowerStation中图分类号：TV315(2719)文献标识码：A文章编号：0559—9342(2012)10—0047-030引言1计算资料及仿真模型大体积混凝土在施工中容易产生温度裂缝．降1．1计算资料低了混凝土的完整性，影响坝体的安全。如果温度盖下坝水电站位于重庆市云阳县和奉节县境内应力过大，超过相应龄期的允许温度应力．混凝土的长江一级支流长滩河中上游河段，大坝为混凝土就会产生裂缝。拱坝由于自身的体形特点和工作原双曲拱坝，最大坝高160m．坝顶长153．31m．水理，温度变化对结构应力状态具有重要影响．温控库总库容3．54x10m，调节库容2．03xi0m。，电站问题显得尤为突出。采用三维有限元法仿真大坝施装机容量为120MW。大坝共设8条横缝．分成9工期非稳定温度场及温度应力，预测坝体施工期温个坝段，沿中心线弧长横缝的间距一般为16～18m、度场及温度应力的变化规律。对坝体温控防裂提出最大18．92m，不设纵缝，拱坝拱冠断面底宽约15．14合理建议。混凝土损伤理论可以揭示混凝土材料的破坏机收稿日期：2012—06—11理。通过混凝土坝损伤仿真计算，反映其任何时刻基金项目：国家自然科学基金资助项目(10972072，50878077)的损伤状态，对其工作性态、危险程度、剩余寿命作者简介：徐闯(1984一)，男，云南宣威人，硕士研究生，研等的分析以及安全运行有着重要作用。究方向为计算力学与工程仿真．WaterI~werVo1．38No．10豳 注：表中t为混凝土龄期11q。坝体混凝土进行通仓浇筑，并分层分块进行，分为若干浇筑层，按照从坝基至坝顶的顺序，分为浇筑块最大底宽23．11m，最大浇筑仓面面积342若干荷载步依次激活每层混凝土。随着坝体单元的In。基础约束区浇筑块分层厚度为1．5m；非约束区逐步激活，相应的温度荷载也同时施加，以此类推，浇筑块分层厚度为3m。坝体孔口部位分层分块厚直到坝顶浇筑层浇筑完成。这样，就可以仿真模拟度根据孔口高度作局部调整。材料热力学参数见表1。大坝整个施工过程的温度场和应力场。气温按当地多年平均气温拟合，表达式为r一1Ta(t)=15．9+8．4Xcosl97-(￡一6．7)l(1)LVJ混凝土徐变度采用以下指数函数表达式c．d(t~,1-一sC(t，)=(17,1+61／r)(1一e)xl0+■_(+62，rC，)(1-edz(t-r))~10一5(2)a有限元模型b坝体单元剖分式中，c(t，丁)为混凝土徐变度；r为混凝土加载龄图1计算模型殛网格剖分期：rz、b、C、d为拟合参数，其取值见表2。表2混凝土徐变度参数取值2成果分析施工期计算从坝体开始浇筑之13起(第3年5月1日)，至坝体浇筑结束之日(第4年10月30日)，坝体冷却水管采用西32或4,40聚乙烯塑料管共550d，步长为1d。(PE管)，在坝内按蛇行布置。基础约束区的冷却水2．1温度场管进行加密布置，采用1．5m(浇筑层厚)×1．5m由计算结果可以知，各种初始条件、边界条件(水管间距)布置；岸坡坝段为1．5m(浇筑层厚)及各项温控措施在温度场上都得到了合理的反映，×1．5II3_(水管间距)。非约束区为3．0m(浇筑层厚)施工期最高温度为37．97℃，发生部位在高程292m×1．5m(水管间距)，特殊部位可根据结构情况适右岸5坝段，该点拱圈温度等值线见图2。从图2当调整。一根PE冷却水管长250m，冷却水比热为可以看出，在采取合适的冷却措施后，很好地控制4．187kI／(kg·℃)。了施工期最高温度，达到温控要求。1．2仿真模型2．2温度应力场由于大坝为通仓分坝段分层浇筑，本次计算基施工期最大拉应力为0．96MPa，在高程310m于ANSYS软件平台，采用空间20节点等参单元进左边坝段靠基岩的下游面处，该时间该位置坝体拱行。计算模型及网格剖分见图1。计算网格单元数圈第一主应力等值线见图3。由图3可知，该部位17601个．节点总数84795个。计算中坝体厚度方由温度荷载引起的最大主拉应力值小于混凝土的容向分3层，高度方向1．5m／层，共分94层，每个坝许抗拉强度设计值1．2MPa。这说明温控措施得当，段长度方向分4～6列不等，以使得坝体单元尺寸尽坝体能够满足抗裂要求。量合理。在灌浆封拱前，横缝按缝单元处理；封拱2．3损伤场后，作为坝体单元相同的实体单元处理。基岩范围：施工期还没有开始蓄水，坝体损伤主要由温度大坝左、右、上游、下游及坝底约取1．5倍坝体高应力引起，温度应力为拉应力。因此，只需考虑最度，河槽及两岸适当简化。坝体混凝土及基岩材料大拉应力时刻坝体损伤场。取坝体混凝土初始损伤分区也根据实际情况概化处理。在计算时，将坝体为0．05，损伤阈值D，为0．2，计算得该时刻该处 第38卷第10期徐闯，等：盖下坝水电站施工期温度应力及损伤仿真分析说处于损伤发展的缓慢阶段，尚未出现宏观裂缝。ANSYSl00NODALSOLUmNTIh皿l54(2)出现最高温度的时刻和部位，其应力并不SMN=l5432SMX=37966是最大的，这说明施工期温度应力大小取决于温变A=17041B=2026lC：2348值而不是温度绝对值。D=26699E=299l8F=33l37(3)从应力场还是损伤场可以看出，坝体与岩G=36356体接触的坝肩部位拉应力和损伤值都较其他地方大，这是因为该部位混凝土受到约束，也可能是网格划分带来的应力集中所致，但施工时应引起注意。(4)本文仅考虑了温度荷载引起的损伤，没有考虑混凝土自重引起的损伤。(5)计算中的基础参数气温和水温是多年平均值．没有考虑可能出现的极端高温和低温，也不可图2坝体温度最高点拱圈温度等值线(单位：℃)能考虑ld内的变化。另外，其他计算参数也没有ANSYS100NoDALSoLUTj0N考虑其不确定性。因此，计算结果有可能是偏小的。TlME=276S1(AVG、DMX=0OO6272SMN=-23l676SMX=957486参考文献：A=．146736B=23144C=l93025『1]徐道远．混凝土坝的损伤及损伤仿真计算[J]．河海大学学报(自D=362905E：532785然科学版)，2002，30(4)：14—17．G=872546『2]朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制[M]．北京：中国电力出版社，1999．[3]NoorzaeiaJ，BayagoobaKH，ThanoonbWA，eta1．ThermalandstressanalysisofKintaRCCdam[J]．EngineeringStructures，2006，28(13)：1795-1802．[4]朱伯芳．考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程[J]．水利学报，1991(3)：28—34．[5]朱伯芳，许平．混凝土坝仿真应力分析方法[J]．中国水利，2000图3最大拉应力处拱圈第一主应力等值线(单位：MPa)(9)：75—77．ANSYS100GELEMENTSOTION[6]JaafarMS，BayagoobKH，NoorzaeiJ，eta1．Developmentoffi—TI~正=276DAM1(AVG)niteelementcomputercodeforthermalanalysisofrollercompactedDMx=o006272SMN=O05SMX=O160284concretedamsIJ；．EngineeringSoftware，2007，38(11)：886—895．A=0057877B=0073632C=0089387[7]谢先绅．大体积混凝土结构三维温度场、应力场有限元仿真计D=0105142E120897F=O136652算及裂缝成因机理分析[D]．南京：河海大学，2001．G=O152407[8]LiShouyi，RenJinke，WuZhongming，eta1．Simulationoftern—peraturefield-RCCarchdam[J]．InternationalWaterPowerandDamConstruction，2008，60(4)：16—18．[9]AbdulrazegA，NoorzaeiJ，KhanehzaeiP，eta1．EffectofTern—peratureandCreeponRollerCompactedConcreteDamDuringtheConstructionStages[J]．ComputerModelinginEngineering＆Sei—图4最大拉应力时刻坝体下游面损伤等值线ences，2010，68(3)：239—268．[1O]朱伯芳，高季章，陈祖煜，等．拱坝设计与研究[M]．北京：中坝体损伤等值线(见图4)。国水利水电出版社。2002．从图4可以看出，最大损伤值为0．16。(责任编辑杨健)3结语(1)有限元仿真计算结果表明，盖下坝水电站施工期坝体最高温度和最大温度应力均小于容许值．温度应力得到有效控制。从损伤计算结果可以看出，在施工期出现最大主拉应力时坝体损伤最大值为0．16，施工期温度损伤并不大，坝体材料整体来WaterPowerVo1．38No．10嘲'