堆石坝面板混凝土施工期温度和应力全坝段仿真分析

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发布时间：2021-09-10

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堆石坝面板混凝土施工期温度和应力全坝段仿真分析
陈守开，马大仲，郭利霞，郭磊
(1．华北水利水电学院，河南郑州45001l；2．河南华北水电工程监理有限公司，河南郑州450011)
摘要：针对堆石坝面板混凝土易开裂问题及其结构特点，开展了面板混凝土施工期温度和应力变化规律的
仿真研究．依托某混凝土面板堆石坝工程，建立了三维仿真计算网格；采用三维不稳定温度场和应力场的有限
元仿真计算程序，对堆石坝面板全坝段施工过程的温度和应力进行了动态仿真计算和分析．结果表明，堆石坝
面板施工期内部拉应力较大，且最大拉应力出现在最大温降龄期；此外，面板短间歇面施工期拉应力较小，长
间歇面在上层混凝土浇筑后拉应力较大．
关键词：混凝土面板；面板堆石坝；温度；应力
面板堆石坝的钢筋混凝土面板作为防渗主体结
构，其抗裂能力尤为重要⋯ ．虽然面板厚度较薄，但
由于其采用了高标号混凝土(水泥含量高，水化放
热速率快)，施工速度快且沿高程方向不设缝，受坝
体(主要为垫层和过渡层)约束作用强，使得温
度应力成为影响面板混凝土抗裂能力的关键因素．
近几年对堆石坝面板裂缝问题的研究表明，面板裂
缝尤其是贯穿性裂缝主要是温度应力引起的．
这些研究过程的仿真分析通常采用二维有限元模
型，忽略了沿面板宽度方向的传热及约束，计算结果
存在偏差．为此，笔者依托某混凝土面板堆石坝工程
进行三维全坝段模拟和仿真计算，分析混凝土面板
在施工期温度和应力的变化规律．
1 仿真计算理论和方法
1．1 不稳定温度场基本理论和有限元方法
在计算域R 内任何一点处，不稳定温度场
T( ，Y，，t)须满足热传导方程⋯
—箬a—￡ =a (I、—等a +—雾a + —a— )／l +十 —0a —0 l㈩ l，
式中：为温度，oC；a为导温系数，in ／h；为混凝
土绝热温升，℃ ；t为时间，d；．r为龄期，d．
利用变分原理，对式(1)采用空间域离散、时间
域差分，引入初始条件和边界条件后，可得向后差分
的温度场有限元计算递推方程
(H+ 足) 一 To+Fn~l=0(2)
式中：日为热传导矩阵；R为热传导补充矩阵；T为
结点温度列阵；F + 为结点温度荷载列阵；n为时段
序数；At为时间步长．
根据递推公式(2)，若已知上一时刻的结点计
算温度，可推出下一时刻的结点温度
1．2 应力场基本理论和有限元方法
混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括多个
方面，即
△￡ =△8E +△ ：+A ：+△s：+△8： (3)
式中：△￡为总应变增量；△g：为弹性应变增量；
△ ：为徐变应变增量；△ 为温度应变增量；△￡：
为干缩应变增量；△s：为自生体积应变增量．
由物理方程、几何方程和平衡方程可得任一时
段△ 在区域上的有限元支配方程
△艿 =△P +△P +△P +△P +△P?
(4)
式中：△艿为区域兄内所有节点3个方向上的位移