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碾压混凝土拱坝温度应力仿真分析与分缝设计研究
作 者: 胡国平
导 师: 张文捷
学 校: 南昌大学
专 业: 水利水电工程
关键词: 碾压混凝土拱坝 三维有限元 温度场 温度应力 分缝 仿真分析 温控措施
分类号: TV642.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
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内容摘要
碾压混凝土拱坝是在近二三十年内得到迅速发展的一种坝型,它结合了混凝土坝在材料上和土石坝在分层施工上的各自优点而形成的具有施工速度快、施工方法简便、建设周期短、工程投资少、大坝运行性能良好。但由于大坝采用大仓面分层碾压,浇筑上升速度快,碾压时形式上已封拱,混凝土的热传导性又极差,在浇筑硬化过程中积聚的大量热量很难在短期内散发,内部非线性温度限制了温降时的自由收缩,将产生温度拉应力,在坝体表面裂缝尖端有应力集中,很可能导致深层裂缝或贯穿裂缝,同时在近基础部位由于基岩的强约束作用,也很可能有基础贯穿裂缝,破坏坝体整体性,而且内外温差引起的裂缝多发生在最关键的拱冠和拱端的高应力区,因此温度应力是碾压混凝土拱坝设计主要应力之一,是防止施工期和运行期裂缝而采取温控防裂措施的主要设计依据,但究竟温度应力有多大,需采取哪些措施来预防和避免这些危害性裂缝,这就要提供可靠的温度应力数据,才能达到正确指导防止裂缝的目的。解决温度应力的主要工程措施是施工过程中的温度控制,为了防止坝体产生危害性的裂缝,降低大坝运行的安全隐患,本文在拱坝设计过程中根据施工过程特点,采用三维有限元计算分析的方法,对拱坝进行深入细致的温度场及温度应力仿真分析,循序渐进地揭示大坝无缝无温控措施、有缝无温控措施、有缝有温控措施等工况下大坝的温度及温度应力状态,发现合理的分缝能减少混凝土内部的相互约束,释放内部应力,根据此结果提出合理的大坝分缝方案,得出相应的温控标准,制定合理的防裂措施,同时为了避免坝体近基础处应力集中的产生,还计算了大坝有限元等效应力。本研究课题以江西省山口岩碾压混凝土拱坝为依托,仿真分析结果显示降低后的大坝温度应力和等效应力满足设计规范要求,可以为工程的设计提供参考并推荐最佳的施工措施及方案。
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全文目录
摘要 3-4 ABSTRACT 4-10 第1章 绪论 10-25 1.1 问题的提出 10 1.2 碾压混凝土拱坝的发展 10-17 1.2.1 普通混凝土与碾压混凝土 10-12 1.2.2 碾压混凝土拱坝的发展概况 12-16 1.2.3 国内外碾压混凝土拱坝的特点要求 16-17 1.2.4 碾压混凝土拱坝的发展趋势 17 1.3 碾压混凝土拱坝温度应力分析理论的进展 17-21 1.3.1 温度场以及温度徐变应力场研究的必要性 17-18 1.3.2 温度场研究方法 18 1.3.3 温度应力场研究方法 18-19 1.3.4 国内外碾压混凝土拱坝温度应力仿真分析研究进展 19-21 1.4 国内外分缝设置和研究现状 21-23 1.4.1 国内外已建碾压混凝土拱坝分缝设置 21-22 1.4.2 碾压混凝土拱坝分缝模型的研究现状 22-23 1.5 本文的主要研究目的和内容 23-25 1.5.1 研究目的 23-24 1.5.2 研究内容 24-25 第2章 碾压混凝土拱坝温度理论和分缝理论 25-50 2.1 热传导基本理论 25-27 2.1.1 热传导方程 25-26 2.1.2 关于温度场的几个概念 26 2.1.3 初始条件和边界条件 26-27 2.2 三维有限元基本理论 27-30 2.3 混凝土温度场有限单元法 30-35 2.3.1 稳定温度场有限元解法 30-31 2.3.2 非稳定温度场有限元解法 31-35 2.4 温度徐变应力理论分析概述 35-36 2.4.1 混凝土温度应力的类型 35-36 2.4.2 混凝土温度应力的影响因素 36 2.5 徐变理论 36-38 2.6 混凝土徐变应力的有限元解法 38-41 2.6.1 温度应力 38 2.6.2 仿真应力 38-41 2.7 仿真分析问题的处理 41 2.8 分缝数值模型 41-50 2.8.1 诱导缝模型的建立 42-46 2.8.2 横缝模型的建立 46-49 2.8.3 碾压混凝土拱坝中分缝的布置原则 49-50 第3章 仿真分析计算相关参数 50-59 3.1 工程概况 50-53 3.1.1 体形参数 50-51 3.1.2 气象水文资料 51-53 3.2 大坝材料分区及配合比 53 3.3 热力学相关参数 53-59 3.3.1 碾压混凝土的力学性能 53-54 3.3.2 碾压混凝土的变形性能 54-56 3.3.3 碾压混凝土的热学性能 56-57 3.3.4 抗拉强度指标 57-59 第4章 碾压混凝土拱坝分缝与未分缝仿真分析 59-91 4.1 施工进度安排 59 4.2 计算模型与坐标系 59-61 4.3 计算方案 61-62 4.4 坝体不分缝时仿真计算 62-76 4.4.1 坝体温度场计算成果分析 62-65 4.4.2 坝体温度应力场计算成果分析 65-76 4.5 坝体分缝时仿真计算 76-90 4.5.1 大坝结构分缝方案 76-77 4.5.2 坝体温度场计算成果分析 77-79 4.5.3 坝体温度应力场计算成果分析 79-90 4.6 小结分析 90-91 第5章 碾压混凝土拱坝温控与防裂措施 91-103 5.1 概述 91 5.2 温度裂缝分类 91-92 5.3 温控特点与设计 92 5.4 碾压砼温控标准 92-96 5.4.1 混凝土温控分区 93 5.4.2 温差标准 93 5.4.3 坝体混凝土允许最高温度 93-96 5.5 常态砼温控标准 96 5.6 主要温控措施 96-102 5.6.1 常态砼温控措施 96-98 5.6.2 碾压砼施工气候条件 98 5.6.3 碾压砼高气温条件下的施工 98 5.6.4 碾压砼寒冷天气下的施工 98 5.6.5 碾压砼温控措施 98-101 5.6.6 外部保温措施 101-102 5.7 混凝土养护 102 5.8 实时资料整编 102-103 第6章 有限元等效应力分析 103-115 6.1 概述 103 6.2 荷载及荷载组合 103-104 6.3 计算结果分析 104-112 6.3.1 各计算工况应力图 104-111 6.3.2 各工况应力分析结果 111-112 6.4 等效应力与其它计算结果比较 112-114 6.4.1 拱梁分载法应力分析 112-113 6.4.2 拱梁分载法与等效应力法应力比较分析 113-114 6.5 结语 114-115 第7章 总结与展望 115-117 7.1 总结 115 7.2 展望 115-117 致谢 117-118 参考文献 118-123 攻读硕士学位期间的研究成果 123
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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水利枢纽、水工建筑物 > 挡水坝 > 混凝土坝 > 碾压混凝土坝
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