高寒地区碾压混凝土坝温度和应力有限元分析

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碾压混凝土坝是近30年来研究使用的新材料水工建筑物。到目前为止,已建和在建的碾压混凝土坝中有约60%分布在中国、日本、美国和西班牙,同时这4个国家的碾压混凝土筑坝技术也处于世界领先水平。随着技术的发展,碾压混凝土坝向着高寒、强震、高山等恶劣气候和地形方向发展。  新疆北疆山区处于高寒地区,极端最低气温在零下40℃以下,极端最高气温接近零上40℃,气温变幅大,这种气候特点对碾压混凝土坝的施工过程影响显著。碾压混凝土坝在本年10月底就停止施工直至第2年4月才能施工,夏季日照时间长,高温和干燥的气候对混凝土的施工也产生了一定的影响。这种特殊气候使碾压混凝土坝体具有相对独特的温度场和温度应力时空分布规律。为了进一步研究施工过程的温度控制,本文采用三维有限元法对坝体施工期和运行期的部分温度场和温度应力进行了全过程仿真计算。  本文结合有限单元法对稳定温度场、非稳定温度场和温度应力场的的计算公式进行了总结,对坝体的稳定温度场、非稳定温度场和温度应力场在ANSYS软件的算法进行了学习和研究。在模拟碾压混凝土坝施工过程的温度场和温度应力时,考虑了分层浇筑的特点,并考虑了浇筑间歇时间、混凝土的绝热温升与弹性模量的变化、外界环境温度的变化。结合算例对该方法的可行性进行了验证并结合山口水电站实际工程条件,对其进行了温度和应力的全过程仿真分析。  从温度场计算结果可以看出,碾压混凝土坝内部特征点,在施工期首先温度上升,达到第一个峰值后开始下降,再次上升到最高温度后缓慢下降,在运行期呈现不明显的周期变化。出现两个温升曲线和一个明显的温降曲线。表面碾压混凝土浇筑初期,生热率较高,温度迅速升高,但受外界气温变化明显,施工期温度变化急剧,运行期呈现明显的周期变化。  从应力场计算结果可以看出,碾压混凝土坝在施工期,在新旧混凝土的浇筑面上,特别是在越冬面,出现较明显的应力集中现象,在接触面上的铅直应力较大,容易引起水平施工缝开裂,冬季表面主要为拉应力,内部主要为压应力,夏季表面主要为压应力,内部主要为拉应力,最大拉应力较大,超出了规范规定的许可范围;强约束区温度应力随着温度的下降呈递增趋势,弱约束区恰好相反。
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