高寒地区碾压混凝土重力坝劈头裂缝温度应力仿真计算研究

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碾压混凝土重力坝属于大体积混凝土结构,表面与空气或水接触,外界温度变化、水泥产生的水化热以及自身约束等各种因素的作用将在结构内部或表面出现拉应力,因此,在大体积混凝土结构中往往会出现裂缝。高寒地区水库蓄水以后经过一段时间已出现的表面裂缝可能会突然大范围的扩展,成为劈头裂缝。不少混凝土重力坝在上游面产生的劈头裂缝,裂缝深度达到几十米,有的甚至将整个坝段一分为二,引起严重漏水,危及坝的安全。因此对劈头裂缝的研究显得尤为重要。在大体积混凝土结构中,引起裂缝的最大因素是温度变化,温度变化对结构的应力状态有重要影响,温度应力在数值上可能超过其它外荷载引起的应力。因此,研究温度场、温度应力的分布及规律,就是为了解决大体积混凝土的温度裂缝及裂缝控制等问题。本文依据大体积混凝土的温度场和温度应力场的有限单元法计算理论,以大型通用软件ANSYS为平台,采用APDL语言编制了碾压混凝土重力坝施工期和运行期的温度场、温度应力场的仿真计算程序。该程序在编制过程中按实际工况考虑了碾压混凝土分层浇筑、施工间歇、弹性模量变化、混凝土表面保温、绝热温升过程、环境温度的变化、混凝土徐变等因素对坝体温度场及应力场的影响。用“生死”单元模拟混凝土的浇筑过程。计算出来的结果可以比较真实的反映坝体温度场和温度应力场的工作性态。本文结合某高寒地区的碾压混凝土重力坝的实际工况,进行模拟分析,针对已经产生劈头裂缝的坝段进行成因分析,并且提出一系列可行的处理措施及其预防措施,从而达到防治裂缝的效果。研究发现出现劈头裂缝主要是由于坝体上游面产生了较大的沿坝轴线方向的拉应力。廊道上部混凝土于2008年5月份浇筑,至2008年7月廊道上游侧至坝体上游面出现较大的沿坝轴线方向的拉应力,此时混凝土抗拉强度尚较低,因此在廊道上游侧至坝体上游面可能出现劈头裂缝;随着廊道内温度的降低,廊道顶部沿坝轴线方向的拉应力继续增大,后期在廊道顶部也极易出现垂直于坝轴线方向的裂缝。本文温度场和温度应力场的计算成果将对类似工程劈头裂缝方面的研究提供一定的参考和借鉴作用。
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