厚壁衬砌混凝土温度应力仿真分析

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1、第37卷第5期人民黄河Vo1．37．No．52015年5月YELLOWRIVERMay，2015【工程勘测设计】厚壁衬砌混凝土温度应力仿真分析尹文俊，汪军，竹怀水，张晶晶4，李洋波(1．三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443000；2．河南省河口村水库工程建设管理局，河南济源454650；3．黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州450003；4．上海勘测设计研究院，上海200434)摘要：隧洞衬砌混凝土厚度相对较小，洞内环境气温稳定、变幅不大，一般认为由温度应力导致衬砌结构开裂的可能性较小，因此采取温控措施的重

2、要性常被忽视。针对衬砌混凝土的裂缝预防问题，以河12村水库泄洪洞厚壁衬砌工程为例，采用三维有限元方法，分析浇筑方式、浇筑温度等因素对衬砌混凝土温度应力的影响。结果表明，降低浇筑温度、采取通水冷却及表面保护措施可以达到温控防裂的目的，衬砌厚度越大，越应对衬砌混凝土温控引起重视。关键词：厚壁衬砌；温度应力；仿真分析；温控措施；河口村水库中图分类号：Ⅳ554；TU457文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2015．05．027水工隧洞衬砌混凝土厚度一般为0．5—1．5m，通常认为

3、其不属于大体积混凝土结构范畴，加上洞内气温变化幅度小，混凝土温度应力在安全范围内，可不采取严格的温控措施。但工程实践表明，一些隧洞衬砌混凝土出现顺水流向及铅直向温度裂缝。目前，部分水工隧洞衬砌厚度达到了2．0m甚至更厚，大厚度、高标号混凝土衬砌的应用使得结构的温度应力问题尤为图1衬砌混凝土断面尺寸(单位：m)突出。一些学者¨从徐变、衬砌厚度、分缝长度等方面对常见厚度衬砌混凝土的温度应力问题进行了分析探讨；张晶晶等初步分析了壁厚2．75m衬砌结构的2有限元计算模型及计算参数受力特点。笔者结合河口村水库泄洪洞衬砌

4、混凝土2．1计算模型(厚2．0m)的施工，针对混凝土的温控防裂问题，分析采用ANSYS有限元分析软件建立泄洪洞衬砌标混凝土徐变、衬砌厚度、浇筑方式、浇筑温度、浇筑段长准浇筑段长度的整体模型。衬砌厚2．0m，顺水流向度、通水冷却、表面保护等对衬砌混凝土温度应力的影为10．0m，围岩厚度取20．0m，上、下游围岩范围为响，并根据各因素的影响程度有针对性地提出合理、高15．0m，整个结构的计算尺寸约为洞径的5倍。空间效的温控方案，为厚壁衬砌结构的施工提供参考。三维坐标系以从左岸水平指向右岸为轴正向，顺水流向为】，轴

5、正向，铅直向上为Z轴正向。混凝土及周1工程概况围岩体采用空间六面体8节点等参单元剖分网格，整河口村水库位于河南省济源市克井镇境内黄河一体模型共划分55183个节点、49060个单元。衬砌结级支流沁河的下游，总库容3．17亿m，正常蓄水位构的前后面(顺水流向)及基岩四周添加侧向约束，为275．0m。工程由大坝、溢洪道、泄洪洞、引水发电洞组成，是一座以供水、防洪为主，兼顾发电、灌溉等作用的收稿日期：2014—07-03作者简介：尹文俊(1989一)，男，湖北黄冈人，硕士研究生，研大(2)型水利枢纽。笔者研究的2泄

6、洪洞由前期导流究方向为大体积混凝土温度应力与控制。洞改建而成，进口高程为210．0m，泄洪洞总长703．28通信作者：李洋波(1977一)，男，湖北荆州人，副教授，博士，m，衬砌混凝土标准断面尺寸如图1所示。采用先底主要从事水工混凝土数值计算、水电站三维可视化仿真方面的板后边墙、顶拱的浇筑顺序进行施工，底板于2012年研究工作。9月1日开始浇筑，混凝土浇筑段长度取10．0m。E．mail：490999217@qq．eom·103·人民黄河2015年第5期绝热边界，基岩底部施加三向约束，取浇筑温度为混凝表面点为

7、代表点。根据隧洞衬砌的结构特点及工程经土单元的初始温度，取地温为围岩的初始温度。验，应力分析以l，向主应力or及z向主应力or为参2．2计算参数照(以拉应力为正值，压应力为负值)。衬砌采用C30混凝土，基岩及混凝土的热学参数表3计算工况见表1。工况因素徐变耨说明表1基岩、混凝土热学参数混凝土绝热温升()、弹性模量(丁)拟合公式均采用复合指数式：0(r)=36．1(1一e。。·讣)(1)E(r)=30．2(1一e。。·h靳)(2)式中为混凝土龄期。混凝土徐变C(t，)采用8参数公式计算：3．2混凝土徐变对温度应

8、力的影响C(t，丁)=(1+2一)[1一e—¨一]+表4给出了工况1、2下衬砌混凝土中心和表面点(5+6下一’)[1一e一。。一’](3)的最高温度及内表温差值，图2为混凝土中心点y、z式中：参数】一。的值分别为5．2523、48．3215、向应力历时曲线，表面点应力小于中心点应力，故未列0．4500、0．3000、11．8749、20．1873、0．4500、0．0050；t出。由表4可看出，徐变