有壓引水隧洞溫度場和應力場三維有限元分析.pdf

1、在水工隧洞設計中，經(jīng)常遇到有壓隧洞在溫度荷載和均勻內水壓力聯(lián)合作用下的應力計算問題。尤其在近些年發(fā)展起來的抽水蓄能電站和引水式電站，其洞徑往往較大、地質條件相對復雜、深埋較深，因此溫度應力計算問題變的更為突出。雖然國內外對大體積混凝土工程的溫度應力研究較為重視，理論也日漸成熟，但是對于隧洞混凝土襯砌這種薄壁形結構的溫度應力研究較少，也沒有得到足夠的重視。并且目前規(guī)范中也沒有給出具體溫度應力的計算方法，然而在實際工程中卻發(fā)現(xiàn)許多混凝土襯砌

2、，出現(xiàn)了由于溫度應力而引起的裂縫。特別是對于有壓引水隧洞，在溫度應力與內水壓力聯(lián)合作用下會引起應力疊加，會使得隧洞襯砌的總應力水平提高，從而影響隧洞的安全穩(wěn)定性，因此對于有壓引水隧洞溫度應力的計算需給予重視。
　　本文主要采用有限元法針對工程地質條件復雜、圍巖等級較低、隧洞直徑較大的有壓引水隧洞進行應力分析。并詳細分析了隧洞在施工期和正常運行期，由溫度場所產(chǎn)生的溫度應力對襯砌應力極值的影響。具體做法為：首先對隧洞的工程資料進行分析

3、，確定溫度和應力的初始條件及邊界條件；然后通過 ANSYS有限元分析軟件，計算出襯砌在施工期考慮混凝土水化熱和洞內氣溫影響條件下的應力分布，以及正常運行期考慮不同水溫影響條件下的應力分布；最后采用彈性變位諧調法計算溫度應力極值并對比幾組工況得出相關結論如下：
　?。?）施工期在無內水壓力的條件下，溫度應力對混凝土襯砌的整體變形影響較大，且溫度應力使襯砌的水平位移和垂直位移極值都相應增大。在正常運行期考慮內水壓力的情況下，溫度應力對

4、襯砌的整體變形影響較小，且減小了襯砌的水平位移，增大了襯砌的垂直位移。
　?。?）施工期襯砌應力極值均在混凝土強度允許范圍內，正常運行期增加內水壓力使得襯砌的拉應力極值超出了混凝土抗拉強度。可知對于高水頭壓力隧洞僅使用混凝土襯砌達不到抗拉強度的要求，需根據(jù)計算得出相應的應力極值來決定襯砌類型。
　?。?）隧洞施工期由于混凝土水化熱和洞內氣溫的共同作用產(chǎn)生的溫度場對襯砌產(chǎn)生了較大的溫度應力，其主要形式為拉應力。正常運行期混凝土

5、水化熱基本穩(wěn)定后，水溫變化則作為溫度應力的首要條件，隧洞運行期水溫主要產(chǎn)生徑向拉應力，且高水溫比低水溫產(chǎn)生的拉應力要大。
　?。?）在綜合考慮溫度應力情況下，襯砌內部應力分布、襯砌與圍巖之間相互作用極其復雜。采用彈性理論法相對于有限元法計算得到的應力值偏大。原因是彈性理論法對荷載之間的相互作用以及圍巖、襯砌的材料性質之間的相互影響考慮不足。有限元法可以盡可能全面地考慮各種因素的影響，建立較為符合實際的計算模型，從而彌補傳統(tǒng)方法相應