寒冷地区混凝土重力坝温控措施研究
丁海玲, 闫雪, 孔骏
(河海大学力学与材料学院。 南京210098)
【摘要】 东北地区某水库区拟修建混凝土重力坝,该地区气候条件恶劣,每年冬季有5个月左右不能浇筑
混凝土,温度控制及防裂难度大。文中采用有限元软件ABAQUS对该坝体施工期的温度场和应力场进行仿真分
析。通过对3种表面保温措施方案的对比,得到了该工程的表面保护最优方案,同时对该最优方案进行通水冷却
仿真计算研究。研究结果表明:采取该保温及通水冷却措施对改善坝体温度分布,降低温度应力,防止坝体出现
裂缝具有重要意义。得到的结论对类似工程具有一定的参考价值。
【关键词】寒冷地区;重力坝;表面保温;水管冷却;仿真分析
【中图分类号】TU528.0 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2014)12—0O09—04
在寒冷地区建设混凝土坝,气候条件较差,年中
极端最低气温和最高气温的变幅可能超过50~C。经
验表明,大体积混凝土裂缝多数是由温度应力引起
的,而保温是防止表面裂缝的最有效措施n 】。在冬
季入冬前浇筑的混凝土内外形成巨大的温差,很容易
产生裂缝,且表层混凝土在冬季温度降得很低,次年
气温回升后浇筑的新混凝土温度较高,形成巨大的上
下层温差,故应特别加强混凝土的表面保护。文中通
过有限元软件ABAQUS结合工程实际对东北地区某
混凝土重力坝施工期的温度场及应力场进行仿真计
算,通过模拟不同表面保护措施方案,得到该工程最
优保温措施,并结合通水冷却方案对坝体温度场及应
力场进行仿真分析,给出该坝体施工期的温控措施
建议。
1 混凝土温度和徐变应力的计算原理
由于水泥水化热的作用,混凝土坝在浇筑过程中
坝体内部温度随着时间不断变化,属于典型的具有内
部热源的热传导问题,I~Ptlz稳定温度场问题。根据热
传导理论,特定区域R 内的三维非稳定温度场
( ,,, .r)应满足以下控制方程(1)及初始边值条件
(2) :
= 口(—a—下 =口I、—等a + —(9y—2+ -(gzz.),1 +十 -aJr ‘(1l )J
初始条件和边界条件为:
,
= ro(
,
y, ) r = 0
J = r=r
【口( + +O Tn) 一 =0;r=F:
(2)
在边界r。上满足第一类边界条件,在边界r 上
满足第三类边界条件。
混凝土徐变变形不仅取决于其应力状态、持荷时
间、加载期龄,尚受温度及其历时的影响。根据大量
试验研究可知,温度变化除了影响混凝土的基本徐变
C (t,r)外,当温度第一次升温至某一值时,还将产生
瞬态徐变C (T,t,r)。根据虚功原理,混凝土结构在
热、力作用下单元的温度徐变应力矩阵方程为 】:
【j( 】e{AS )c={△P:c +t△P )。+{AP:)e
+{AP:)e+<△ )。 (3)
式中[K ]。为单元刚度矩阵,{△6 }。为单元节点
位移增量向量,{△P 为瞬态徐变等效荷载,t△P:
为lrg时段基本徐变增量等效荷载,{△P y为单元温差
变形增量等效荷载,t△P:)e为自身体积变形增量等效
荷载,{AF 为r/,时段单元节点力增量。根据有限元
方法可以求得位移以及应力。
2 工程实例的基本资料
表1 坝址多年各月气温特征 ℃
注:文中根据表1所给气温资料并参照朱伯芳院
士的《大体积混凝土温度应力与温度控制》n 采用余
弦函数模拟气温变化公式:
= 9·5+15.9×c。。【 ×(.r一201)J (4)
式中, 为气温,cI=,7.为时间,d
某水库混凝土重力坝位于我国东北地区,是以供
水、防洪为主,兼顾农业灌溉及改善环境的大型综合
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