有限元分析的昼夜温度变化引起的影响下游小湾水电站拱坝表面

文摘

为了明确摘要小湾水电站拱坝的开裂原因操作期间,结合的方法与有限元程序ANSYS COCE-3D采用。首先,元素类型和网格大小的影响温度场仿真结果进行了分析。随后,三个典型坝段从小湾水电站拱坝选择和建立了相应的有限元模型;测量昼夜气温的影响拱坝的温度场和温度应力进行了分析。结果表明,大体积混凝土的温度梯度变低,而影响深度筛孔尺寸太大时变得更深。因此,建议使用较小尺寸网格研究测量昼夜气温的影响在大体积混凝土表面温度分布。在拱坝下游区域的温度是影响空气温度;温度场和温度应力的变化规律与空气温度基本上是一致的,这是对低温敏感。当温度急剧下降,下游的温度应力区主要处于拉应力状态。计算结果与测量结果基本上是一致的,和昼夜温差引起的温度应力水平裂缝的重要原因是下游表面。 The submodel analysis method is an important alternative approach to study the changing laws of temperature field of arch dam. The research results not only provide an evidence for temperature control and crack prevention of Xiaowan arch dam but also provide a reference for temperature field simulation of similar projects.

1。介绍

承认,热负荷是混凝土拱坝开裂的重要原因之一,在建设和运营(1- - - - - -4]。在施工期间,由于放热反应,大量的水化热不能及时释放,导致内部温度梯度和热应力的增加,导致裂缝。它通常由冷却水管道控制或降低混凝土浇筑温度。由于外部环境的影响,拱坝的开裂在操作过程中仍然是一个困难的问题(5,6]。至于裂缝的原因在操作期间,朱镕基提出的,根本原因是非线性温差的影响,没有考虑寒潮温度荷载的计算。此外,他建议表面永久保温是一种有效的方法来防止裂缝发生在拱坝在运行(7]。温度裂缝问题是一个重要的研究课题领域的高拱坝结构。到目前为止,大量的成就(3)与热应力和温度裂缝的混凝土大坝主要集中在施工期间昼夜温度变化的影响(8,9),和每年的温度10),季节性温度变化(4,11,12),太阳辐射(13,14),和水温度变化(1在操作)。结果表明,寒潮或昼夜温度变化会影响下面的温度场在一定范围内的混凝土表面,导致表面裂缝(15]。

小湾水电站,位于中间的澜沧江,主要是发电,也可以使防洪等综合利用效益。小湾水电站拱坝是一个抛物线双曲混凝土坝的坝顶高程1245米,最大的大坝的高度294.5米,波峰中心线的弧长892.8米,底部宽69.49米的悬臂皇冠,皇冠悬臂的波峰宽度13米。大坝包括5开曲面溢洪道、6中产排出孔,2清空下洞。拱坝的服务期间,发现一些不同长度的水平和不规则裂缝拱坝下游表面在海拔1150米到1190米的现场检查。为了找出裂缝的原因在小湾水电站拱坝下游方面,混凝土的温度效应的作用下昼夜温度变化进行了研究。有必要建立一个有限元模型与较小的网格大小,选择小时计算时间步长。由于巨大的区别研究区域的大小和整个大坝,它需要巨大的计算规模和高要求计算机硬件如果建立有限元模型对整个大坝。为了更好地分析影响昼夜温度变化的温度场和热应力场的下游一侧小湾水电站拱坝混凝土,首先,元素类型的敏感性和网格大小的温度场进行了分析。随后,27 #∼29 #小湾水电站拱坝的典型片段拍摄为例,建立三维有限元模型,和整个模型和子模型相结合的方法(16)采用模拟温度场和热应力场的变化规律下拱坝下游一侧的昼夜温度变化的作用。最后,在裂缝的成因是小湾水电站拱坝下游一侧透露。它提供了指导方针小湾水电站拱坝的温度控制和预防裂缝,为类似工程参考。

2。温度场和热应力的计算原则

2.1。温度场

根据热平衡原理,吸收的热量随着温度上升的总和等于净热量流入从外面和里面的水化热。对于各向同性,热传导的基本方程的三维瞬态温度场 在哪里θ混凝土的绝热温升(^°C),α=λ/cρ,λ混凝土的导热系数(kJ / (m。h。^°C)),c是混凝土的比热(kJ /(公斤。^°C)),ρ是混凝土密度(公斤/米³),τ是时间(h)。

(1),可以获得独特的解决方案通过引入相应的初始条件和边界条件(17]。根据变分原理,可以推导出有限元控制方程: (在哪里H是热传导矩阵和{F}是热流数组。

2.2。热应力

弹性体的假说,它可以知道材料的热膨胀系数是常数四面八方;也就是说,积极的应变不改变方向或不会产生角变形。假设每个节点的温度变化Δ弹性体T的热膨胀系数α,产生了自由变形αΔT,由此产生的相应的初始应变

弹性体的总应变是由温差所产生的应变和应变产生的其他压力,所以应当的应力-应变关系

和节点力和节点位移之间的关系可以表示为 在哪里 ; 弹性矩阵的元素;是元素的特征矩阵;的节点位移矩阵元素;是元素的刚度矩阵;和 由温度变化产生的等效节点荷载。

3所示。项目的基本信息

3.1。坝址的日常温度

根据气象站的气温测量(每小时变化),在2014年冬季温度变化的过程(从14 h 1月24日14 h 1月28日)和2013年夏天,(从14 h 6月11至14 h 6月15日)如图1,最大的昼夜温度变化是19^°C。

3.2。水库的水温

小湾水电站的正常蓄水水位1240米在操作期间,和相应的下游跌水池的水位1004米。表面的年平均水温小湾水电站水库是20.6^°C,表面水温的年度振幅的影响(包括阳光)是6.0^°c .海拔1120米下的水温是恒定在10^°C,而水温的海拔范围从1120到1240是按照下列方程计算(17]: 在哪里T(y,t)是深度的温度y在时间t(^°C);一个₀是每月的平均差值最大和最小温度;ω服用,每日温度变化的循环吗π/ 12;ε是水的温度和空气温度之间的相位差;T_b年平均水温是底部的储层(^°C), 10^°C;T_年代是每月表面空气温度+阳光(^°C);t当计算进行(h);t₀是时间的最高温度(h),通常采取14 h;H是储层深度(m);和y水深(m)。

3.3。大坝混凝土的热力学性质

大坝混凝土分为A、B和C;这三个区和混凝土的热学和力学参数可以在表中找到1。

4所示。分析模型和分析方法

4.1。灵敏度分析的元素类型和网格大小

温度场的模拟计算20.)表明,元素类型和网格规模显著影响了计算结果的精度。一般来说,网格规模相同的元素类型,如果网格规模很大,计算精度低。否则,计算精度高,但效率很低。因此,复杂的工程问题甚至不能实现微机。因此,探讨影响元素类型和网格规模的混凝土温度场的模拟结果的精度,特别是外部空气温度的影响温度场的梯度在混凝土的表面区域,应该首先建立一个简单的例子来分析网格尺度的敏感性和元素类型的精度计算。

大小的矩形模型2米×2米×4米,两个元素类型和三个网格尺度采用离散(如表所示2)。C_180年40是作为热参数,初始温度的均匀温度20°C,空气温度边界是冬季温度曲线如图1。

图2图表显示了云的以上四个方案的温度场20 h。从图1可能是已知的,空气温度在20 h是6.6°C,所以通过比较四个方案,结果显示,这样的温度梯度范围方案1和方案4 = 12.8°C-20°C,和影响深度约为0.35 m。方案3的温度变化范围为16.1°C-20°C,和影响深度约为0.8 m,大约两倍选项1和2。方案4相同的温度变化范围,方案1和2一样,空气温度的影响深度,在方案3。

图3是温度曲线上的一个节点外表面模型的四个方案。从图3,可能是知道方案1的趋势,温度变化幅度,2和4都是相同的,而方案3的温度变化幅度较小,峰值明显落后于峰值时间的空气温度。

总之,我们有以下几点:(1)温度分布规律和方案1和2的变化过程与相关文献的理解相一致(1,15]。(2)当元素类型是相同的,如果筛孔尺寸太大,混凝土表面温度范围小,深度和温度的计算值影响很大。(3)当网格大小是一样的,表面温度的计算精度可以改善通过使用高阶元素,但影响范围的精度不是改善。因此,8-node六面体的元素应用于纸张、大坝和元素规模的方向厚度控制在0.1米- 0.5米的范围。

4.2。有限元网格

通过考虑元素与小规模及其计算规模,27岁^#∼29^#大坝的小湾水电站拱坝被选为研究对象(如图4(一))进行离散采用8-node六面体的元素。元素规模的方向大坝厚度控制在0.1米- 0.5米,而元素在垂直方向和直角元素规模控制在大约10倍的方向厚度。子的有限元网格图所示4 (b),总669960年和721315年的总节点的元素。

4.3。初始条件和边界条件

应力、应变分析,同意的坐标系统X设在指向左岸是积极的,Y设在指向上游是积极的,Z设在向上是正面的。

边界条件:在温度场的计算中,水温在大坝和水之间的边界是根据第一个边界条件,以及大坝和空气之间的边界被选根据第三边界条件,而底部和两边的基础治疗根据绝热条件。计算应力场,底部的基础是固定的,这四个方面的基础和大坝的双方是正常的限制,剩下的是自由表面。

初始条件:温度场分析,典型的天的昼夜温度变化在冬季和夏季是调查,分别。根据测量数据,从14:00 1月24日14:00 2014年1月28日被选为冬季时期和时间14:00 6月11到14:00 2013年6月15日被选为夏季。相对应的热场14:00 2014年1月24日14:00 2013年6月11日分别作为初始条件。自应力-应变分析只考虑昼夜温差造成的增加,初始应力场是设置为0。

4.4。分析方法

4.1.1。温度场分析

拱坝是封闭灌浆的坝顶6月11日,2010年,到2013年,三峡大坝的内部温度是稳定和温度对大坝表面主要是受到外部空气温度和水库水温。针对温度场的模拟分析的计算规模对整个大坝部分和整个生产过程中,网格规模大于1米,时间步是“天”。因此,当温度场的模拟分析的结果对整个大坝部分和整个过程被应用于分析精确的子的昼夜温度变化的影响(时间步是“小时”),初始温度条件应该得到恰当的处理。以及昼夜温度变化的影响在1月26日,2013年6月13日,2014年分别研究了冬季和夏季时间,所以节点的初始值温度27^#∼29^#有限元网格模型可以通过插值获得整个大坝部分的模拟分析结果和整个过程热领域14:00 1月24日,2013年和2014年6月11日。随后,每日气温和水温的边界条件应用于27日^#∼29^#模拟计算的子,2天除了1月26日,2013年6月13日,2014年,分别对精度没有明显影响的典型日常温度场的结果。

应用ANSYS软件分析温度场,总计算时间4天,时间步长为“小时”,96年总计算步骤。初始条件应根据上述方法,设置和空气温度和水温的边界条件是模拟部分3.1和3.2。

10/24/11。应力应变分析

本文关注的状态增量昼夜温度变化产生的应力,以解释昼夜温度变化引起的裂缝的可能性。因此,线弹性有限元计算进行了27日^#∼29^#大坝剖面模型通过考虑昼夜温度变化的作用,混凝土是视为均匀各向同性的弹性体。

的计算周期和步长保持一致与热场、行动和温度是温度场的模拟计算结果之间的差异在特定时间,在以前的时候,等等。采用增量法计算应力和应变。由于混凝土浇筑已完成了3 - 4年,分析时间短,蠕变是不考虑。

采用自主研发的有限程序COCE-3D应力-应变的有限元计算,该项目已成功应用于许多大型水电工程如三峡水电站、龙滩水电站、溪洛渡水电站、小湾水电站,(21,22]。

5。结果

5.1。温度场的分析结果

为方便分析,两个点P1,P2在大坝的下游一侧被选P1位于海拔1190米的下游一侧P2位于海拔1150米的下游一侧,如图5。

图6显示了两个代表点的温度时间曲线,从中我们可以知道以下几点:(1)下游表面温度明显受到气温变化的影响,以及其变化规律是一致的与空气温度,提出了余弦曲线,但大坝表面温度的峰值时间有一个明显的滞后效应与空气温度相比,落后约2小时。这是符合规则的研究在文献[1,23]。(2)在相同的空气温度变化规律,值的温度变化P1,P2与变化规律基本上是一致的。(3)混凝土表面的温度梯度变化影响更明显的昼夜温度变化在冬季。

图7显示了两个典型时期的温度曲线的方向大坝厚度,在4时刻(24小时、48小时、72小时和96小时)列出了每个季节。计算节点是每0.15米从表面到内部。从图7附近的一个曲线,可以发现表面有一个大的斜坡,这表明,该地区的温度梯度的更大一部分,和空气温度对混凝土的这部分更大的影响力。当距离达到一定深度时,曲线的斜率很小,几乎发展成一条直线,这表明,深海地区的温度梯度很小,和空气温度的变化几乎没有影响;文献[的影响规律是一致的14,24,25]。在该地区,温度梯度变化较大,如果距离保持不变,随着计算时间的增加,曲线的斜率下降;例如,温度曲线的斜率在24 h大于在96 h,它解释说,温度变化的作用时间越短,温度梯度越大在受影响的地区。

当空气温度变化对混凝土温度的影响深度考虑,可以确定相应的影响深度根据内部温度变化幅度的差异;例如,内部温度变化被认为是0.1,0.05,0.01倍的混凝土表面温度变化幅度。温度的影响深度每个条件如表所示3,它可以知道冬天温度的影响深度比在夏天。

综上所述,可以得出以下结论:(1)空气温度变化在冬季混凝土温度场影响较大;换句话说,混凝土温度变化敏感温度下降,在文献[获得了类似的结论15]。(2)温差的作用时间越长,混凝土受温度影响的深入,但达到一定深度后保持不变。(3)温差的作用时间越短,混凝土表面的更大的温度梯度的变化在一定范围内。

5.2。热应力分析结果

根据观察,裂缝小湾水电站拱坝下游一侧的大多是水平;因此,最大主应力和热应力的变化Z本文主要是讨论了方向。图8显示了云的最大主应力和图表Z冬天方向压力68 h (8.1°C)的外部温度。从图8,这可能是已知的最大主应力和Z方向的压力几乎是相同的大小和方向,这两个是拉应力。图9显示了云的最大主应力和图表Z冬天方向压力76 h (23.6°C)的外部温度。从图9,这可能是已知的最大主应力和Z方向的压力几乎是相同的大小和方向,和一个压应力出现了。典型的时间在夏天也有类似的法律,所以这不是本文中描述。

图10显示的时间曲线的法向应力Z方向获得两个代表点的两个典型时期。从图10,可能是知道的变化规律Z方向拱坝的应力曲线P1,P2是一致的与温度时间曲线,这两种不同的余弦曲线,表明混凝土的应力状态是很大程度上受空气温度的影响。同样的规则被发现在文献[23]。的Z方向的应力计算结果这两点在特殊时刻如表所示4。

总之,在冬季昼夜温差的作用下,混凝土拱坝下游的产生较大的拉应力,这表明,混凝土的温度变化是敏感的温度下降。昼夜温度变化较大时,拱坝下游的一面产生较大的拉应力,约2.4 MPa,裂纹发生在拉应力引起的热应力和其他负载超过混凝土的抗拉强度。裂缝的测量的位置基本上是在海拔1190米和1150米,几乎相同的拉应力计算位置,所以它显示较大的昼夜温度变化是横向开裂的主要原因之一,在小湾水电站拱坝下游的一面。

6。结论

基于ANSYS和自主研发的COCE-3D有限元软件,采用的方法梳理积分模型和子模型,元素类型的敏感性和网格尺度热场进行了计算和分析,计算结果和变化过程的温度场和热应力在三个标准水坝段(27^#∼29^#)在冬季和夏季典型时期也进行了分析。结论如下:(1)当相同的元素类型和不同网格大小被用来计算温度场,筛孔尺寸太大,因此,混凝土表面的温度梯度变化缓慢,温度和深度的影响非常深。当高阶元素被用于计算,然而表面温度的计算精度提高,精度没有影响的范围。(2)拱坝下游的一面非常受气温的影响,尤其是在冬季昼夜温度变化敏感。空气温度的作用时间越短,越大坝混凝土表面的温度梯度的变化;空气温度的作用时间越长,影响越大的深度混凝土温度,但达到一定深度后保持不变。随着空气温度的改变,混凝土的温度变化有不同的滞后效应。(3)下游侧的热应力的混凝土拱坝体形更大,和热应力的变化规律基本上是一致的与空气温度。最大主应力和Z方向的压力几乎是相同的方向。温度急剧下降时,热应力主要是拉应力,当温度增加时,压应力出现了。(4)热应力的计算结果与测量裂缝的位置基本上是一致的,这表明,昼夜温度变化产生的热应力横向开裂的重要原因之一是小湾水电站拱坝下游的一面。(5)积分模型和子模型的结合是一种有效的方法来研究温度场和热应力的变化规律的大坝混凝土表面,从而获得令人满意的结果。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究支持的科学研究专项基金由陕西省教育部门(20 jk0962)和特殊基金陕西省自然科学基础研究计划(2021金桥- 872)。

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