碾壓混凝土壩溫度應(yīng)力仿真計算研究

前言

碾壓混凝土筑壩技術(shù)問世以來，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。碾壓混凝土壩是將常態(tài)混凝土壩的結(jié)構(gòu)和碾壓土石壩的施工技術(shù)集于一體，該項新技術(shù)具有水泥用量少、工期短、造價低等優(yōu)點。它是混凝土筑壩技術(shù)的一項革新，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上具有顯著的優(yōu)越性。但碾壓混凝土壩的溫度應(yīng)力是制約簡化溫控措施、加快施工進(jìn)度、降低工程造價的主要問題。因此，碾壓混凝土壩溫度應(yīng)力仿真計算研究具有重要的工程實用價值。碾壓混凝土壩溫度應(yīng)力分析方法一般可分為理論解法、實用算法和數(shù)值方法。由于碾壓混凝土壩邊界條件和材料的復(fù)雜性，要求解滿足所有條件下的溫度應(yīng)力幾乎是不可能的，所以理論解法在工程實際中基本沒有應(yīng)用。在中小工程初設(shè)階段，為了簡單迅速地估算溫度應(yīng)力，常采用一些實用算法，包括約束系數(shù)法、約束矩陣法。數(shù)值方法有邊界單元法和有限單元法兩種。邊界單元法節(jié)省計算時間，但若考慮施工過程中的徐變應(yīng)力場及壩內(nèi)介質(zhì)非均勻性，則會遇到很大困難，目前該法在混凝土壩應(yīng)力場計算中應(yīng)用甚少。有限單元法是目前較為成熟的計算混凝土壩溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值方法。根據(jù)溫度應(yīng)力隨時間變化的特點，一般采用增量初應(yīng)變法。即在每一計算時段初用前一時段的應(yīng)力增量計算徐變變形增量，并將其看作計算時段的初應(yīng)變而轉(zhuǎn)化為等效結(jié)點荷載，再求解計算時段的位移增量和應(yīng)力增量。為了將此方法實用化，減少計算機(jī)存儲量，英國著名學(xué)者提出了等時段條件下徐變增量的遞推算法，在此基礎(chǔ)上，我國朱伯芳院士又提出了不等時段條件下徐變增量的遞推關(guān)系和混凝土結(jié)構(gòu)徐變應(yīng)力分析的隱式解法，為利用有限元仿真計算混凝土壩的溫度場和溫度應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。作者在前人研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合碾壓混凝土壩施工特點，提出了三維有限元浮動網(wǎng)格法，并開發(fā)了相應(yīng)的計算軟件，能夠模擬碾壓混凝土壩薄層澆筑的施工過程，根據(jù)設(shè)計要求計算出任意時刻的壩體溫度場和應(yīng)力場；同時研究了分區(qū)浮動網(wǎng)格法在有孔壩段溫度場和應(yīng)力場計算中的應(yīng)用、利用MgO混凝土解決重力壩溫度應(yīng)力問題、混凝土表面保溫計算方法、考慮晝夜溫差條件下碾壓混凝土壩溫度場和應(yīng)力場仿真分析、碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力計算研究以及碾壓混凝土壩溫度場反分析等。研究成果對碾壓混凝土壩的設(shè)計、施工和運行管理具有參考價值。

內(nèi)容概要

全書共分11章，包括緒論,大體積混凝土溫度場和溫度應(yīng)力場計算原理，碾壓混凝土水化熱溫升變化規(guī)律，三維有限元浮動網(wǎng)格法，混凝土壩三維有限元溫控仿真計算程序，分區(qū)浮動網(wǎng)格法在有孔壩段溫度應(yīng)力場計算中的應(yīng)用，利用MgO混凝土解決重力壩溫度應(yīng)力問題的應(yīng)用研究，大體積混凝土表面保溫計算方法研究，考慮晝夜溫差的碾壓混凝土壩溫度場仿真分析，碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力計算研究和碾壓混凝土壩溫度場反分析研究等內(nèi)容。    本書可作為水利水電工程設(shè)計、施工、監(jiān)理人員和高等院校師生的參考書。

書籍目錄

前言1  緒論  1．1  碾壓混凝土壩概述  1．2  碾壓混凝土重力壩溫度場和溫度應(yīng)力場研究現(xiàn)狀  1．3  大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力補(bǔ)償研究  1．4  大體積混凝土結(jié)構(gòu)表面保溫研究現(xiàn)狀  1．5  考慮晝夜溫差影響的碾壓混凝土重力壩溫度應(yīng)力場研究  1．6  碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力研究現(xiàn)狀  1．7  碾壓混凝土壩溫度場反分析研究現(xiàn)狀2  大體積混凝土溫度場和溫度應(yīng)力場計算原理  2．1  熱傳導(dǎo)基本理論  2．2  溫度場和應(yīng)力場三維有限元計算原理  2．3  大體積混凝土溫度場有限元計算  2．4  大體積混凝土應(yīng)力場有限元計算3  碾壓混凝土水化熱溫升變化規(guī)律  3．1  水泥的水化熱變化規(guī)律  3．2  混凝土的絕熱溫升變化規(guī)律  3．3  大體積混凝土的溫升變化規(guī)律  3．4  碾壓混凝土的發(fā)熱規(guī)律  3．5  混凝土壩的特征溫度和特征溫差4  三維有限元浮動網(wǎng)格法  4．1  浮動網(wǎng)格的仿真計算方法  4．2  浮動網(wǎng)格引起的熱力學(xué)參數(shù)誤差分析  4．3  浮動網(wǎng)格與不浮動網(wǎng)格的計算結(jié)果對比分析5  混凝土壩三維有限元溫控仿真計算程序  5．1  混凝土壩三維有限元溫控仿真計算程序功能  5．2  拱壩三維有限元溫控仿真計算程序介紹  5．3  重力壩三維有限元溫控仿真計算程序介紹  6  分區(qū)浮動網(wǎng)格法在有孔壩段溫度應(yīng)力場計算中的應(yīng)用  6．1  分區(qū)浮動網(wǎng)格法的仿真計算模型  6．2  分區(qū)浮動網(wǎng)格法的程序設(shè)計難點  6．3  分區(qū)浮動網(wǎng)格法的計算程序驗證  6．4  工程算例分析7  利用MgO混凝土解決重力壩溫度應(yīng)力問題的應(yīng)用研究  7．1  MgO水泥及摻MgO混凝土  7．2  高外摻MgO碾壓混凝土溫度應(yīng)力計算原理  7．3  程序驗證  7．4  MgO碾壓混凝土壩算例分析8  大體積混凝土表面保溫計算方法研究  8．1  等效表面散熱系數(shù)法  8．2  等效厚度法  8．3  導(dǎo)熱系數(shù)法  8．4  程序驗證  8．5  工程算例分析9  考慮晝夜溫差的碾壓混凝土壩溫度場仿真分析  9．1  晝夜溫差對長間歇基礎(chǔ)墊層溫度場和溫度應(yīng)力的影響  9．2  考慮晝夜溫差的碾壓混凝土壩溫度場仿真分析10  碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力計算研究  10．1  碾壓混凝土拱壩溫度場程序驗證  10．2  碾壓混凝土拱壩算例分析11  碾壓混凝土壩溫度場反分析研究  11．1  工程反問題的特點  11．2  工程反問題的求解方法  11．3  可變?nèi)莶罘? 11．4  碾壓混凝土壩溫度場反分析研究  11．5  程序驗證參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：若是平行壩軸線向前推進(jìn)，對斜層坡腳的處理必須十分慎重，要求在碾壓過程中防止大骨料分離滾下，并且每個條帶的底部必須錯開，防止形成一條自上至下的通道。這種施工法的優(yōu)點是：可以縮短覆蓋時間，有助于提高層間表面粘結(jié)力；沒有橫向模板，節(jié)省工時；提高RCC的鋪筑速度；防止預(yù)冷混凝土吸熱過快，相應(yīng)降低了溫控造價。1.1.2.3 碾壓混凝土壩的溫度應(yīng)力分析碾壓混凝土壩的溫度場、溫度應(yīng)力場分析方法，有以美國為代表的有限元時間過程分析法和以日本為代表的約束系數(shù)矩陣法，英國和法國一般采用ANSYS、ADINA和AB-ACUS等專用程序。世界上最早把有限元時間過程分析法引入混凝土溫度應(yīng)力分析的是美國加州大學(xué)的威爾遜教授。他在1968年為美國陸軍工程師團(tuán)研制出可模擬大體積混凝土結(jié)構(gòu)分期施工溫度場的二維有限元程序，并用于德沃歇克壩溫度場的計算。威爾遜還與他人合作研制了考慮混凝土徐變應(yīng)力分析程序。我國在研究碾壓混凝土壩溫度場和溫度徐變應(yīng)力場有限元計算方法方面，做了大量開創(chuàng)性研究工作。1985年第15屆國際大壩會議上，朱伯芳院士發(fā)表了題為《大體積混凝土中考慮徐變效應(yīng)的溫度應(yīng)力計算》的論文，在此以后，還提出了并層復(fù)合單元、并層壩塊接縫單元、應(yīng)力場和溫度場分區(qū)異步長解法、考慮水管冷卻效果的混凝土等效熱傳導(dǎo)方程等混凝土壩溫度應(yīng)力計算方法，并研制出計算程序。西安理工大學(xué)在研究碾壓混凝土壩施工特點的基礎(chǔ)上，提出了三維有限元浮動網(wǎng)格法，能夠模擬碾壓混凝土壩薄層澆筑的施工過程，可根據(jù)設(shè)計要求計算出任意時刻的壩體溫度場和應(yīng)力場，研究開發(fā)的計算軟件，可在微機(jī)上計算高碾壓混凝土壩施工期和運行期的溫度場和考慮混凝土徐變的溫度應(yīng)力場。河海大學(xué)在約束系數(shù)矩陣法的基礎(chǔ)上，提出了碾壓混凝土壩溫度控制設(shè)計的廣義約束系數(shù)矩陣法。約束系數(shù)矩陣法只能反映溫度和約束應(yīng)力沿壩高方向的變化，而廣義約束系數(shù)矩陣法既能反映溫度和應(yīng)力沿壩高方向的變化規(guī)律，又能反映溫度和應(yīng)力沿水平方向的變化規(guī)律，不僅能用來研究防止貫穿性裂縫和深層裂縫，而且能夠用來研究防止由于上、下游表面環(huán)境溫度變化與內(nèi)部約束引起的表面裂縫。武漢大學(xué)、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)等高等院校和科研單位在碾壓混凝土壩溫度場和溫度徐變應(yīng)力場研究方面，也做了大量研究工作，有力地推動了我國高碾壓混凝土壩的發(fā)展。碾壓混凝土壩溫度場和溫度應(yīng)力場研究的發(fā)展趨勢是研究開發(fā)能在微機(jī)上實施的二維、三維線性和非線性有限元全過程仿真計算程序，計算中能模擬碾壓混凝土壩薄層施工的實際情況，分析施工期和運行期的壩體溫度、應(yīng)力、位移情況，并有良好的人機(jī)交互界面，使用戶在施工過程中能根據(jù)各種因素的變化，隨時了解壩體溫度場和溫度應(yīng)力的變化情況，以便采取相應(yīng)的溫控方法和防裂措施，在計算程序的后處理方面，建立與計算結(jié)果。

編輯推薦

《碾壓混凝土壩溫度應(yīng)力仿真計算研究》由中國水利水電出版社出版。

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