| 标题 | 群英水库浆砌石重力拱坝三维有限元温度应力计算分析 |
| 范文 | 田永军++张桂花++张浩东 摘要：对于坝高超过100 m的砌石拱坝，结构受力复杂，工程经验相对较少，特别是考虑到北方地区冬夏季节温差很大，将产生不可忽略的温度应力，因此有必要对大坝及相关部位进行三维有限元计算复核，并特别考虑了温度应力对结构受力的影响。大型通用有限元分析软件ANSYS温度计算模块为三维空间结构温度应力计算提供了极大的方便。通过对群英水库浆砌石重力拱坝各种工况的计算分析，认为在内外温差较大时，温度场在拱坝结构设计时应引起充分的重视。 关键词：温差；拱坝；温度应力；温度场；有限元 中图分类号：TV641文献标志码：A文章编号：16721683（2015）002004604 群英水库建于河南省焦作市西北部22 km的修武县西村乡境内，[JP2]所在河流为海河流域卫河上游的大沙河上。水库主要建筑物有大坝、输水洞、电站厂房等。大坝为定圆心、变半径的浆砌石重力拱坝，坝顶弧长15428 m，坝顶中心角为80°，外半径1105 m，坝顶厚45 m，坝底厚52 m，厚高比为052，弧高比为154，坝顶高程49050 m，最大坝高1005 m，为亚洲同类型第一高坝。大坝采用坝顶溢流，溢洪道布置在坝顶中部，[JP]无闸控制，采用克奥型非真空溢流堰，挑流消能。 按照《砌石坝设计规范》，国内已建坝高超过100 m以上的砌石坝仅有3座，因此对于坝高超过100 m的砌石坝， 特别是考虑到北方地区冬夏季节温差很大，将产生不可忽略的温度应力。夏季受太阳辐射影响，坝体表面升温较高，而太阳辐射对水库水体的影响则不大。反之冬季将导致坝体表面温度较低，而水体的温度相对稳定。因此有必要对大坝及相关部位进行三维有限元计算复核，并特别考虑了温度应力对结构受力的影响。 1ANSYS温度应力计算理论基础 1.1稳态温度场有限元原理 根据模型边界条件，由热传导方程推导可得三维稳态温度场的导热方程为 由上述方程可知，温度应力的有限元计算与外荷载下普遍意义的有限元计算是相似的，温度变化引起的相当体力和相当面力可作为外荷载那样，由虚位移原理移置到各个节点上，即由温度场分析所得的节点温度输入到结构相应节点上，并输入初始温度场的各节点温度值，就完成了不均匀温度场的变化值输入，以此可进行温度应力的计算[3]。 2实例计算分析 2.1计算工况 拱坝设计荷载组合分为基本荷载组合和特殊荷载组合两类。本次结构安全分析根据群英水库大坝的实际情况和《砌石坝设计规范》（SL 25-2006）的要求，分析了以下4 种基本组合和4 种特殊组合工况。 （1）基本组合。 基本组合1：正常蓄水位（47700 m）+正常温降+坝体自重+扬压力； 基本组合2：设计洪水位（4817500 m）+正常温升+坝体自重+扬压力； 基本组合3：[JP2]死水位（42500 m）+正常温降+坝体自重+扬压力；[JP] 基本组合4：[JP2]死水位（42500 m）+正常温升+坝体自重+扬压力。[JP] （2）特殊组合。 特殊组合1：校核洪水位（48520 m）+正常温升+坝体自重+扬压力； 特殊组合2：正常蓄水位（47700 m）+正常温降+坝体自重+扬压力+地震； [JP2]特殊组合3：死水位（42500 m）+正常温降+坝体自重+[JP]扬压力+地震； 特殊组合4：死水位（42500 m）+正常温升+坝体自重+扬压力+地震。 2.2计算模型 根据相关规范和类似工程，利用有限元法对拱坝进行结构分析时，单元的剖分应尽量达到设计所要求的精度，单元形式结合拱坝体型合理选用。建模地基范围尽可能考虑大坝的特点和基础地质条件，满足计算要求。计算坐标系采用如下：X轴为顺河向，以向下游为正、向上游为负；Y轴为垂直向，与高程一致，以向上为正、向下为负；Z轴为坝轴线方向（横河向），以向右岸为正、向左岸为负。根据群英水库浆砌石重力拱坝的实际及坝基岩层分布情况，三维整体计算模型的范围如下：以位于河床最大坝高坝段中部的坝踵处为基准，顺河向分别沿坝踵、坝趾处往上下游方向取一倍坝高作为坝基长度；竖直方向沿坝底面处向下截取一倍坝高作为坝基深度；坝轴线方向以大坝坝肩两端为基准，向左右岸方向各延伸一倍坝高作为坝基宽度。同时，考虑计算的需要，该三维有限元模型忽略了廊道、输水洞等附属结构的影响。建模时，尽量模拟坝体的实际形态，使之反映实际情况。划分网格时，单元选用精确度较高的8节点六面体等参单元SOLID 45，单元节点总数为187 983个，单元总数为172 252个，群英水库拱坝的三维有限元模型图见图1。 2.3参数选取 根据大坝设计情况以及地质分布情况，其中坝体材料主要为100号水泥砂浆砌石灰岩块石，上游混凝土防渗面板采用C20混凝土，坝基材料主要为石灰岩。根据水库大坝资料并参考规范及类似工程经验，经综合分析，坝体和坝基均采用线弹性本构模型。各材料计算参数见表1。 2.4边界条件 应力场边界设置为：坝基底面为竖向约束，顺水流向为X方向约束，垂直河流方向为Z方向约束，坝体其它面为自由面。应力场边界示意图见图2。 温度场计算边界设置为：坝基的底面、侧面（X和Z）为绝热边界；坝体的上游面热边界分为两种，一种为上游库水位以下坝体与水进行热交换的对流边界，另一种为上游库水位以上坝体与空气进行热交换的对流边界；坝体的下游面和顶面及坝基的顶面（与坝体接触面除外）为与空气进行热交换的对流边界。温度场边界示意见图3。 2.5温度场初始条件 初始条件设置主要是模拟自然状态下坝体与坝基的温度场和应力场分布。根据原设计施工资料，将群英水库的年平均气温作为封拱温度。由于群英水库已运行多年，故自然状态下坝基只存在应力场分布，初始位移场几乎为零。 由于群英水库历史较早，该大坝缺少完整的温度资料（气温，库水温度等），考虑到群英水库已运行多年，坝体温度基本稳定，所以采用稳定温度场进行分析计算。计算中不考虑坝基温度的变化影响，仅仅考虑坝体温度场的分布，以年平均气温152 ℃作为坝体的封拱温度，以6月平均最高气温321 ℃作为正常温升情况，以1月平均最低气温-32 ℃作为正常温降情况。同样因缺少库水温度资料，库水表面温度近似气温，库底温度设置为4 ℃。经计算，温升、温降情况下的坝体典型温度场分布图见图4、图5。 图4温升情况下温度场分布 2.6计算结果分析 根据上述有限元模型、计算参数和荷载组合工况，对群英水库大坝的8种荷载组合工况下坝踵、坝趾、拱冠和两岸拱座的位移和应力进行了分析计算。 基本组合情况下，当外界气温降低，坝体温度受其影响低于封拱温度时，即温降时，坝轴线收缩使坝体向下游变位，向上游的变化量减小。当外界气温升高，坝体温度受其影响高于封拱温度时，坝轴线伸长，使坝体向上游变位，向上游的变化量加大。其中工况2偏向上游的位移量最大，为12526 mm；各工况中坝体的中部偏下部位由于受上游静水压力的作用均偏向下游，其中工况1由于水位是正常蓄水位47700 m，同时考虑温降，坝体所受静水压力和温降的共同作用，相应的水平位移偏向下游的位移量较大为7595 mm。 特殊组合情况下，在基本组合情况的基础上考虑了地震力。其中工况4偏向上游的位移量最大，为12133 mm；各工况中坝体的中部偏下部位由于受上游静水压力的作用均偏向下游，其中工况2由于水位是正常蓄水位47700 m，同时考虑温降，坝体所受静水压力和温降的共同作用，相应的水平位移偏向下游的位移量较大为11226 mm。 由于各工况坝体受力基本上关于拱冠处对称，因此坝体左右岸两侧的横河向变形也表现出一定的对称性。从计算结果可以看出，左岸坝体的变形量各工况基本上略大于右岸坝体，这与坝体的几何特征相吻合。其中特殊组合工况2横河向变形最大，横河向水平位移指向右岸最大值为5697 mm，横河向水平位移指向左岸最大位移为6237 mm。 各工况坝体的沉降根据计算结果，坝体最大沉降量均发生在坝体中部，其中基本组合工况3沉降量最大，为14821 mm；基本组合工况4沉降量最小，为6179 mm。 在各工况下，通过综合比较坝体的位移分布图，坝体沉降量均小于最大坝高的01%，坝体顺河流向水平位移和横河向水平位移很小，该坝体的位移符合浆砌石重力拱坝位移的一般规律。 基本组合工况的工况3和工况4，其它荷载相同，仅温升温降的差异，对坝体应力有显著的影响，工况3温降最大拉应力为388 MPa，而温升工况4最大拉应力为157 MPa；工况3温降最大压应力为096 MPa，而温升工况4最大压应力为367 MPa。水压力荷载对坝体应力也有较大的影响，例如基本组合工况1和工况3，同为温降，工况1最大拉应力为440 MPa，而工况3最大拉应力为388 MPa，最大压应力也有相似情况。 从计算结果看，各工况最大拉应力为特殊组合工况2，最大值466 MPa，最大压应力为基本组合工况2，最大值为387 MPa。从应力分布图可知，由于坝体和基岩接触的局部应力集中现象导致拉应力计算结果偏大，从整体看，拱坝周边拉应力基本都在12 MPa以内，中间部位拉应力均小于1 MPa，满足《砌石坝设计规范》（SL 25-2006）中的“砌石拱坝控制计算拉应力参考值”。根据《砌石坝设计规范》（SL 25-2006）中“附录A07砌石体容许压应力值”，可查得砌体容许压应力基本组合时为53～57 MPa，特殊荷载组合时为62～67 MPa，从计算结果可知，坝体压应力满足规范要求。 3结论及展望 本次计算综合考虑坝体夏季冬季内外温差产生的温度应力，综合以上计算结果可知以下结论。 （1）从各工况的位移分布云图可知，浆砌石重力拱坝坝体的位移表现出关于拱冠断面一定的对称性，这主要是因为大坝布置相对较对称，符合大坝的一般变形规律。 （2）上游水位和温度场对坝体位移有较大影响，其中温度场对坝体变形影响较大，应引起充分的重视。 （3）从各工况坝体应力分布图可知，坝体应力表现出关于拱冠梁断面一定的对称性。在各工况下，拱坝拱冠梁断面、拱端应力的变化规律基本相同，一般表现为拱冠上游侧多出现压应力，而拉应力多出现在拱冠下游侧；拱端上游侧多出现拉应力，而拱端下游侧多出现压应力。应力分布符合拱坝的一般规律。 （4）从计算结果可以看出，当内外温差较大时，坝体结构设计考虑温度应力是很有必要的，温度荷载对拱坝应力影响很大。 （5）其它荷载相同，坝体的冬季温降工况相比夏季温升工况的最大拉应力偏大，而最大压应力偏小。 （6）其它荷载相同，涵洞的冬季温降工况相比夏季温升工况的最大拉应力偏大，而涵洞的冬季温降工况相比夏季温升工况的最大压应力偏小。 温度应力计算的边界条件比较复杂，影响的因素也较多，希望通过本次实例计算对其它混凝土结构特别是对于温差较大的北方地区的混凝土类似结构有一定的借鉴意义。[HJ1.7mm] 参考文献： [1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制（第2版）[M].北京：中国电力出版社，1999. [2]舒开鸥.大型桥墩的温度场及温度应力的有限元分析[J].山西建筑，2010. [3]王羽.拱坝施工期温度场及温度应力仿真计算[J].吉林水利，2011. [4]凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYS WorkBench 13.0从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012. [5]李辉，刘建军.新疆北疆寒区渡槽温度应力的分析[J].石河子大学学报：自然科学版，2009（10）. [6]Kehlbeck F.太阳辐射对桥梁结构的影响[M].北京：中国铁道出版社，1981. [7]龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析 [M].北京：机械工业出版社，2003. [8]李玉河，吴泽玉.U形和矩形渡槽温度应力对比分析[J].人民长江，2008，39（16）：6768. [9]胡 刚.岩基上大型泄水闸温度应力研究[D].武汉：武汉大学，2004.[ZK）] [10][ZK（#]ANSYS，lnc.ANSYS APDL Programmers Guide ANSYS7.0 HTML Online Documentation.2002. |
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