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辽宁葠窝水库溢流坝段闸墩裂缝力学成因分析

作　者: 张东宇
导　师: 凌贤长
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 岩土工程
关键词: 力学成因溢流坝段闸墩裂缝扩展有限元葠窝水库
分类号: TV662.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

大体积混凝土结构以其独特的承载性能优势在水利、建筑、交通等大型土木工程中应用较广泛，其主要特点就是体积大，承压能力强。然而混凝土材料抗拉和导热性能差，在施工期水化热作用以及运行期周期变化的环境温度荷载作用下，结构内外将产生较大温差和温度应力，再加之外荷载的共同作用，极易导致混凝土开裂。国内外学者针对混凝土断裂及大体积混凝土温度应力进行了大量研究，得出了许多有关大体积混凝土开裂的定性半定量解答，然而针对混凝土大坝闸墩等特殊区域的开裂研究尚不多见。由于闸墩裂缝产生和扩展的复杂性与多样性，目前一些常规的计算方法仍然很难较好地模拟与预测这类裂缝发生、发展过程。传统有限元方法无法表达宏观裂缝，只能够进行基于应力状态下的混凝土开裂近似模拟与分析。扩展有限元法作为一种有效模拟裂缝位移不连续问题最有效的数值计算方法，允许裂缝可以出现在单元内部。为此，本文运用传统有限元法和扩展有限元法相结合手段，模拟分析了葠窝水库溢流坝段闸墩在施工期和运行期的应力分布特点和裂缝开展，通过与实际溢流坝段闸墩裂缝状态对比，分析得出了闸墩裂缝的力学成因。主要结论如下：(1)本文结合施工工艺、施工方法、环境条件和混凝土性能等因素，对闸墩施工期温度和温度应力进行了模拟分析，认为不采取内部降温措施是导致混凝土浇筑完初期闸墩内外温差较大，表层应力超限和开裂的主要原因，而较高的混凝土入仓温度和溢流堰对闸墩的约束作用是导致闸墩在施工后期处于全截面受拉状态和开裂的主要原因，也是闸墩运行期开裂的导火索。(2)在闸墩运行期，本文精细模拟了年度周期变化的库水温度和季节性气温，计算得出了闸墩年度周期温度场和温度应力场，分析了坝体在自重、库水压力和年度气温三种荷载不同组合工况下的闸墩应力特点，通过比较分析，认为季节性温度荷载，尤其是低温荷载是导致闸墩开裂的主要原因。应用扩展有限元算法模拟分析了闸墩宏观裂缝的产状、开裂规律和分布特点，结果与实际工程裂缝形态吻合良好，印证了季节性低温荷载是闸墩开裂的主要原因的结论。上述研究明确指出了闸墩在施工期和运行期开裂的力学原因，为已裂闸墩进行有针对性地除险加固提供了一般思路，为拟建大坝的闸墩温控防裂提供了一些参考。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-21
  1.1 课题背景及研究意义  9-10
  1.2 工程背景资料  10-13
    1.2.1 工程概况  10-11
    1.2.2 大坝病害现状与历年监测处理情况  11-13
  1.3 国内外研究现状与分析  13-19
    1.3.1 混凝土断裂研究  13-15
    1.3.2 大体积混凝土温度应力与温控防裂研究  15-17
    1.3.3 混凝土裂缝数值方法研究  17-18
    1.3.4 混凝土旧坝病害处理研究  18-19
  1.4 本文主要研究内容与技术方案  19-21
第2章大体积混凝土温度应力求解与扩展有限元法基本原理  21-31
  2.1 引言  21
  2.2 温度场计算原理  21-27
    2.2.1 热传导方程  21-23
    2.2.2 初始条件与边界条件  23-24
    2.2.3 非稳定温度场有限元解法  24-25
    2.2.4 水泥水化热与混凝土绝热温升  25-27
  2.3 温度应力场有限元计算方法  27
  2.4 扩展有限元法基本原理  27-30
    2.4.1 扩展有限元基本格式  28-29
    2.4.2 强间断问题描述  29-30
  2.5 本章小结  30-31
第3章建坝施工期闸墩裂缝力学成因分析  31-47
  3.1 引言  31
  3.2 温度场分析有限元法建模  31-37
    3.2.1 几何模型建立与材料热力学参数  31-35
    3.2.2 动态施工过程实现  35-36
    3.2.3 初始条件与边界条件  36-37
    3.2.4 离散模型  37
  3.3 温度场仿真计算结果与分析  37-40
    3.3.1 数值模拟基本假定  37-38
    3.3.2 计算结果与分析  38-40
  3.4 温度应力场有限元分析  40-45
    3.4.1 温度应力场分析时初始条件与边界条件  41
    3.4.2 计算工况  41
    3.4.3 计算结果分析  41-45
  3.5 本章小结  45-47
第4章大坝运行期闸墩裂缝力学成因模拟分析  47-71
  4.1 引言  47
  4.2 有限元数值模型  47-51
    4.2.1 计算模型  47
    4.2.2 坝址区气象资料与库水温度  47-50
    4.2.3 材料热力学参数  50-51
  4.3 运行期闸墩温度场分析  51-56
    4.3.1 计算工程  51
    4.3.2 稳态温度场  51
    4.3.3 瞬态温度场  51-56
  4.4 运行期闸墩应力场分析  56-67
    4.4.1 计算荷载  56-57
    4.4.2 计算工程、初始条件与边界条件  57
    4.4.3 应力场数值模拟结果与分析  57-67
  4.5 基于扩展有限元法的运行期闸墩开裂数值模拟  67-69
    4.5.1 实现方法  67
    4.5.2 宏观裂缝开展数值模拟结果与对比分析  67-69
  4.6 本章小结  69-71
结论  71-73
参考文献  73-78
附录  78-81
致谢  81

辽宁葠窝水库溢流坝段闸墩裂缝力学成因分析

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