有壓引水隧洞溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)三維有限元分析.pdf

1、在水工隧洞設(shè)計(jì)中，經(jīng)常遇到有壓隧洞在溫度荷載和均勻內(nèi)水壓力聯(lián)合作用下的應(yīng)力計(jì)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(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜、深埋較深，因此溫度應(yīng)力計(jì)算問題變的更為突出。雖然國內(nèi)外對(duì)大體積混凝土工程的溫度應(yīng)力研究較為重視，理論也日漸成熟，但是對(duì)于隧洞混凝土襯砌這種薄壁形結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)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(yīng)力的計(jì)算方法，然而在實(shí)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(yīng)力而引起的裂縫。特別是對(duì)于有壓引水隧洞，在溫度應(yīng)力與內(nèi)水壓力聯(lián)合作用下會(huì)引起應(yīng)力疊加，會(huì)使得隧洞襯砌的總應(yīng)力水平提高，從而影響隧洞的安全穩(wěn)定性，因此對(duì)于有壓引水隧洞溫度應(yīng)力的計(jì)算需給予重視。
　　本文主要采用有限元法針對(duì)工程地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖等級(jí)較低、隧洞直徑較大的有壓引水隧洞進(jìn)行應(yīng)力分析。并詳細(xì)分析了隧洞在施工期和正常運(yùn)行期，由溫度場(chǎng)所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對(duì)襯砌應(yīng)力極值的影響。具體做法為：首先對(duì)隧洞的工程資料進(jìn)行分析

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

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。
　　（2）施工期襯砌應(yīng)力極值均在混凝土強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，正常運(yùn)行期增加內(nèi)水壓力使得襯砌的拉應(yīng)力極值超出了混凝土抗拉強(qiáng)度?？芍獙?duì)于高水頭壓力隧洞僅使用混凝土襯砌達(dá)不到抗拉強(qiáng)度的要求，需根據(jù)計(jì)算得出相應(yīng)的應(yīng)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(nèi)氣溫的共同作用產(chǎn)生的溫度場(chǎng)對(duì)襯砌產(chǎn)生了較大的溫度應(yīng)力，其主要形式為拉應(yīng)力。正常運(yùn)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(yīng)力的首要條件，隧洞運(yùn)行期水溫主要產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力，且高水溫比低水溫產(chǎn)生的拉應(yīng)力要大。
　?。?）在綜合考慮溫度應(yīng)力情況下，襯砌內(nèi)部應(yīng)力分布、襯砌與圍巖之間相互作用極其復(fù)雜。采用彈性理論法相對(duì)于有限元法計(jì)算得到的應(yīng)力值偏大。原因是彈性理論法對(duì)荷載之間的相互作用以及圍巖、襯砌的材料性質(zhì)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(shí)際的計(jì)算模型，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法相應(yīng)