碾压混凝土重力坝施工期温度应力仿真及温控防裂措施研究
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摘要
在碾压混凝土重力坝施工期，温度是主要荷载之一，其仿真分析是碾压混凝土重力坝设计和施工的重要研究内容。论文根据碾压混凝土重力坝薄层碾压、快速施工的特点，提出用国际通用大型有限元软件ANSYS进行其施工期温度场和应力场仿真分析，并将ANSYS软件的有关功能加以组合，综合考虑了外界气温变化、水泥水化热随龄期变化、不同的浇筑温度及分层的实际影响，提出了仿真实现过程。该方法不仅误差小、精度高，而且能直观地反映计算结果、操作简单、适合各层次人员使用，具有较大实用价值。
龙滩碾压混凝土重力坝是目前世界上在建的最高的碾压混凝土坝。论文对龙滩工程11#挡水坝段施工期的温度场作了仿真计算，得出了施工期温度场对地基范围大小并不敏感、外界气温及浇筑速度对施工期温度场影响很大，但对应力场影响并不大。因此，对于碾压混凝土重力坝的设计施工我们更应该关注坝体截面不同部位的应力分布。
论文综合考虑了混凝土弹性模量、徐变度随龄期变化等特性，用ANSYS软件进行了碾压混凝土重力坝施工期应力场仿真计算。最后，论文通过对已建碾压混凝土坝温控与裂缝资料的分析，总结了碾压混凝土坝的温控防裂特点及裂缝形成的主要原因，并提出了裂缝危害性顺序。同时，论文还对碾压混凝土坝温控防裂中的一些重要问题作了探讨，得出了我国现行的温控标准过严、碾压混凝土坝可不采取复杂的温控措施等结论，并提出了可行的一系列温控防裂措施，可供碾压混凝土坝温控防裂设计借鉴和参考。
Thermal stress is one of'the main stresses of RCC (Roller Compacted Concrete) gravity dam during construction period, so simulation analysis on it is a very important research subject. In this paper, based on the construction characteristics such as thin-layer placement and continuous construction of RCC gravity dam, ANSYS software, a world wide popular common software used in finite-element analysis, is suggested to simulating the temperature field and stress field of RCC gravity dam during construction period. By congregating some advanced functions of ANSYS, the procedure of simulation is provided, in which, the change of atmosphere temperature and concrete hydration heat changing with the age and the initial temperature of concrete as well as the real effect of placing in layers are all taken into account. This method not only has less errors and more precise results, but also shows the results directly and makes the operation more simply, so technicians of any level can use it. This will have some pract
ical values.
Longtan RCC gravity dam is the highest RCC dam in construction of the world at present. In this paper, the temperature field of the 11th section of longtan RCC gravity dam during construction period is given by use of ANSYS software. The results of analysis indicate that the ambient temperature and construction velocity has grate effect on the maximum temperature in the RCC gravity dam, but the foundation size and the stress field has less effect. So more attention should be put on the different stress distributing of the points at the different part in the dam.
Based on the characteristics such as modulus of elasticity and unit creep changing according to concrete age, the procedure of simulation on thermal stress of RCC gravity dam during construction period is provided by use of ANSYS software. Finally, according to the information in the field of temperature control and crack of some RCC dams domestic and foreign, this paper summarize the features of temperature control and crack-proof for RCC dam and the primary cause producing the cracks, also, list the rank of crack kinds according to their endangerment to dam body. Meanwhile, some important problems in temperature control and crack prevention for RCC dam are discussed, thereby revealing that the active temperature control standard in our country is too strict and
complex temperature control measures are not necessary for RCC dam, and so forth. According to above conclusions, a series of reasonable temperature control and crack-proof measures for RCC dam are provided, which will be useful for reference in the aspect of temperature control design and crack-proof measures for RCC dam.
龙滩碾压混凝土重力坝是目前世界上在建的最高的碾压混凝土坝。论文对龙滩工程11#挡水坝段施工期的温度场作了仿真计算，得出了施工期温度场对地基范围大小并不敏感、外界气温及浇筑速度对施工期温度场影响很大，但对应力场影响并不大。因此，对于碾压混凝土重力坝的设计施工我们更应该关注坝体截面不同部位的应力分布。
论文综合考虑了混凝土弹性模量、徐变度随龄期变化等特性，用ANSYS软件进行了碾压混凝土重力坝施工期应力场仿真计算。最后，论文通过对已建碾压混凝土坝温控与裂缝资料的分析，总结了碾压混凝土坝的温控防裂特点及裂缝形成的主要原因，并提出了裂缝危害性顺序。同时，论文还对碾压混凝土坝温控防裂中的一些重要问题作了探讨，得出了我国现行的温控标准过严、碾压混凝土坝可不采取复杂的温控措施等结论，并提出了可行的一系列温控防裂措施，可供碾压混凝土坝温控防裂设计借鉴和参考。
Thermal stress is one of'the main stresses of RCC (Roller Compacted Concrete) gravity dam during construction period, so simulation analysis on it is a very important research subject. In this paper, based on the construction characteristics such as thin-layer placement and continuous construction of RCC gravity dam, ANSYS software, a world wide popular common software used in finite-element analysis, is suggested to simulating the temperature field and stress field of RCC gravity dam during construction period. By congregating some advanced functions of ANSYS, the procedure of simulation is provided, in which, the change of atmosphere temperature and concrete hydration heat changing with the age and the initial temperature of concrete as well as the real effect of placing in layers are all taken into account. This method not only has less errors and more precise results, but also shows the results directly and makes the operation more simply, so technicians of any level can use it. This will have some pract
ical values.
Longtan RCC gravity dam is the highest RCC dam in construction of the world at present. In this paper, the temperature field of the 11th section of longtan RCC gravity dam during construction period is given by use of ANSYS software. The results of analysis indicate that the ambient temperature and construction velocity has grate effect on the maximum temperature in the RCC gravity dam, but the foundation size and the stress field has less effect. So more attention should be put on the different stress distributing of the points at the different part in the dam.
Based on the characteristics such as modulus of elasticity and unit creep changing according to concrete age, the procedure of simulation on thermal stress of RCC gravity dam during construction period is provided by use of ANSYS software. Finally, according to the information in the field of temperature control and crack of some RCC dams domestic and foreign, this paper summarize the features of temperature control and crack-proof for RCC dam and the primary cause producing the cracks, also, list the rank of crack kinds according to their endangerment to dam body. Meanwhile, some important problems in temperature control and crack prevention for RCC dam are discussed, thereby revealing that the active temperature control standard in our country is too strict and
complex temperature control measures are not necessary for RCC dam, and so forth. According to above conclusions, a series of reasonable temperature control and crack-proof measures for RCC dam are provided, which will be useful for reference in the aspect of temperature control design and crack-proof measures for RCC dam.
引文
[1] 能源部、水利部碾压混凝土筑坝推广领导小组·碾压混凝土筑坝-设计与施工·北京：电子工业出版社·1990
[2] 吴中如等·碾压混凝土坝安全监控理论及其应用·北京：科学出版社·2001
[3] 沈崇刚·中国碾压混凝土坝技术的进展与运行经验·水力发电，1999·第10期：41
[4] 杨康宁·碾压混凝土坝施工·北京：中国水利水电出版社·1996
[5] 沈崇刚·中国碾压混凝土坝的发展成就与前景(上)·贵州水力发电·2002年第6期·16卷
[6] 吴冥高·当前世界上已建及在建的碾压混凝土拱坝·河海大学学报·2002年7月：70
[7] 李春敏等·析我国碾压混凝土拱坝技术·水利水电技术·2001年第11期·32卷：7～8
[8] 陈东平·微拱重力坝设计问题的探讨·水利水电技术·1990(1)：36～41
[9] 丁汉涛·碾压混凝土坝横缝的新型结构-间断缝初探·水利水电技术·1990(2)：47～50
[10] 蔡为武·碾压混凝土坝温控防裂探讨·广西水利水电·1999年第1期
[11] 汪志福，王传志·普定水电站碾压混凝土拱坝性态研究·水力发电·1995(10)：20～25
[12] 黄淑萍·普定碾压混凝土拱坝整体碾压温度控制技术研究·水力发电·1995(10)：15
[14] 柴军瑞，水利水电科技进展·2001年12月(6)：1～4
[15] 沈崇刚·中国碾压混凝土坝的发展成就与前景·贵州水力发电·2002年第3期
[17] Zhu Bofang, Xu Ping and Wang Shuhe, Thermal Stresses and Temperature Control of RCC Gravity Dams, Proceedings of International Symposium on Roller Compacted Concrete Dams, April 21～25,1999, Chengdu, China, 65～77
[18] 朱伯芳等·水工混凝土结构的温度应力与温度控制·北京：水利电力出版社·1976
[19] 朱伯芳·大体积混凝土温度应力与温度控制·北京：中国电力出版社·1999
[20] 王建江，陆述远·碾压混凝土浇筑层的温度计算·武汉水利电力大学学报·1996年第1期
[21] 王建江，陆述远等·RCCD温度应力分析的非均匀单元方法·力学与实践·1995年第3期
[22] 朱伯芳·多层混凝土结构仿真应力分析的并层算法·水力发电学报，1994(3)：21～30．
[23] 朱伯芳·不稳定温度场数值分析的时间域分区异步长算法·水利学报，1995(8)：40～52．]
[24] 陈尧隆，何劲·用三维有限元浮动网格法进行碾压混凝土重力坝施工期温度场和温度应力分析·水利学报·1998年7月(增刊)
[25] 李守义，陈尧隆等·高碾压混凝土坝温度应力研究·西安理工大学学报·1997年第3期
[26] 朱伯芳·考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程·水利学报，1991(3)：13～19
[28] 朱伯芳。碾压混凝土拱坝的温度控制与接缝设计。水力发电·1992(9)：11～17
[29] 王勖成，邵敏编著·有限单元法基本原理和数值方法·北京：清华大学出版社，1997
[30] 朱伯芳·拱坝应力控制标准研究·水力发电·2000(12)：39～44
[31] 周维垣，杨若琼，剡公瑞·高拱坝的有限元分析方法和判据研究·水利学报·1997(9)：1～6．
[32] [S D 145 85，混凝土拱坝设计规范[S]．]
[33] 陈莉静，陈尧隆等碾压混凝土坝温度场和温度应力仿真计算可视化系统研究·红水河．2001年第2期
[34] ANSYS公司北京办事处，ANSYS热分析培训手册，2000．5
[35] ANSYS公司北京办事处，ANSYS热分析指南，2000．1
[36] ANSYS公司北京办事处，ANSYS结构场分析指南，2000．1
[37] ANSYS公司成都办事处，ANSYS APDL使用指南，2001．8
[38] ANSYS公司北京办事处，ANSYS建模与分网指南，2000．1
[39] ANSYS公司北京办事处，ANSYS高级技术分析指南，2000．1
[40] 潘家铮·水工建筑物的温度控制·北京：水利电力出版社·1990
[41] 电力工业部贵阳勘测设计院·普定碾压混凝土拱坝筑坝新技术研究专题总报告·1995．8
[42] 能源部水利部贵阳勘测设计院，碾压混凝土拱坝结构图，1990年8月
[43] 能源部水利部贵阳勘测设计院，大坝基础开挖图，1990年10月
[44] 许勇·普定电站大坝裂缝工程总结·红枫发电总厂水工分厂·1999年2月
[45] 杨志雄等·我国建成的首座碾压混凝土拱坝—普定拱·水力发电·2001年·第9期
[46] 朱伯芳·有限单元法原理与应用·中国水利水电出版社·1998
[47] 陈德祥，许勇·普定水电站碾压混凝土拱坝裂缝成因探讨·贵州水力发电·2000年(1)：34～39
[48] 王传杰，汪志福·普定碾压混凝土拱坝原型观测及分析反馈·贵州水力发电·1995年第3期：28～35
[49] 朱伯芳·朱伯芳院士文选·北京：中国电力出版社·1997
[50] 冯民权，樊灏等·对碾压混凝土筑坝技术若干问题的认识·山西水利技术·1994年第3期
[51] 姜福田·碾压混凝土·北京：中国铁道出版社·1991
[52] 徐锦华·混凝土坝的温控与防裂·水利水电勘测设计标准化·2000年第4期
[53] 徐跃之·RCC施工期温度应力分析及施工安排·人民长江·1998年第9期
[54] Bofang Zhu and Ping Xu, Thermal Stresses and Temperature Control of Concrete Gravity Dams without Longitudinal jiont, in "Innovation in Concrete Structures: Design and Construction", Proceedings of International Conference held at University of Dundee, Scotland, UK, 8～10, September 1999, pp. 127～134
[55] 黄其愚·铜街子工程碾压混凝土溢流坝段的温度控制研究·四川水力发电·1994年第4期
[56] 冯立生，周宜红·太阳辐射热对碾压混凝土施工的影响·红水河·2001年第1期
[57] 李维孟·京南水利枢纽高温季节混凝土施工的温控措施及效果·广西水利水电·1998年第3期
[58] 周献文·普定水电站碾压混凝土拱坝及防渗研究·水力发电·1998年第2期：10～20
[59] 汪志福，王传杰·普定水电站碾压混凝土拱坝性态研究·水力发电·1995年第10期：20～25
[60] 曾昭扬，马黔·高碾压混凝土拱坝中的构造缝问题研究·水利发电·1998年第2期：30～34
[61] 王应军·碾压混凝土坝裂缝成因及防治措施研究·大连理工大学·2002-06
[62] 黄福来·龙滩水电站高碾压混凝土重力坝施工过程仿真分析·广西大学·2002-05
[63] 贺金仁·高碾压混凝土重力坝的温控防裂研究·河海大学·2003-03
[64] 林鸿镁·龙滩大坝碾压混凝土施工问题的研究(J)·红水河·2002年02期：4～11
[65] 贺金仁，朱岳明等·龙滩高碾压混凝土重力坝的温控防裂研究(J)·红水河·2003年01期：8～13
[66] 梅国兴，刘伟宝·大坝碾压混凝土抗渗、抗冻和抗裂的评估(J)·水利水电技术·2003年04期：21～24
[67] 胡永芳，周宜红等·碾压混凝土重力坝施工期温度场研究(J)·水电能源科学·2003年6月：31～34
[68] 李守义，冯海波等·浇筑温度对碾压混凝土重力坝温度应力的影响(J)·中国农村水利水电·2003年第8期：58～60
[69] 肖峰，欧红光等·龙滩碾压混凝土重力坝设计(J)·水力发电·2003年第10期：41～50
[70] 彭田生，刘勇军等·碾压混凝土拱坝三维温度场和应力场仿真计算(J)·人民长江·2004年第2期：41～43
[71] 陈秋华·碾压混凝土高拱坝设计新方法(J)·水力发电·2002年第7期：21～23
[72] 朱岳明，张建斌·碾压混凝土坝高温期连续施工采用冷却水管进行温控的研究(J)·水利学报·2002年第11期：55～59
[73] 朱伯芳·利用预冷集料和水管冷却加快高碾压混凝土重力坝的施工速度(J)·水利水电技术·2001年第3期：11～14
[2] 吴中如等·碾压混凝土坝安全监控理论及其应用·北京：科学出版社·2001
[3] 沈崇刚·中国碾压混凝土坝技术的进展与运行经验·水力发电，1999·第10期：41
[4] 杨康宁·碾压混凝土坝施工·北京：中国水利水电出版社·1996
[5] 沈崇刚·中国碾压混凝土坝的发展成就与前景(上)·贵州水力发电·2002年第6期·16卷
[6] 吴冥高·当前世界上已建及在建的碾压混凝土拱坝·河海大学学报·2002年7月：70
[7] 李春敏等·析我国碾压混凝土拱坝技术·水利水电技术·2001年第11期·32卷：7～8
[8] 陈东平·微拱重力坝设计问题的探讨·水利水电技术·1990(1)：36～41
[9] 丁汉涛·碾压混凝土坝横缝的新型结构-间断缝初探·水利水电技术·1990(2)：47～50
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[11] 汪志福，王传志·普定水电站碾压混凝土拱坝性态研究·水力发电·1995(10)：20～25
[12] 黄淑萍·普定碾压混凝土拱坝整体碾压温度控制技术研究·水力发电·1995(10)：15
[14] 柴军瑞，水利水电科技进展·2001年12月(6)：1～4
[15] 沈崇刚·中国碾压混凝土坝的发展成就与前景·贵州水力发电·2002年第3期
[17] Zhu Bofang, Xu Ping and Wang Shuhe, Thermal Stresses and Temperature Control of RCC Gravity Dams, Proceedings of International Symposium on Roller Compacted Concrete Dams, April 21～25,1999, Chengdu, China, 65～77
[18] 朱伯芳等·水工混凝土结构的温度应力与温度控制·北京：水利电力出版社·1976
[19] 朱伯芳·大体积混凝土温度应力与温度控制·北京：中国电力出版社·1999
[20] 王建江，陆述远·碾压混凝土浇筑层的温度计算·武汉水利电力大学学报·1996年第1期
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[22] 朱伯芳·多层混凝土结构仿真应力分析的并层算法·水力发电学报，1994(3)：21～30．
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[24] 陈尧隆，何劲·用三维有限元浮动网格法进行碾压混凝土重力坝施工期温度场和温度应力分析·水利学报·1998年7月(增刊)
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[26] 朱伯芳·考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程·水利学报，1991(3)：13～19
[28] 朱伯芳。碾压混凝土拱坝的温度控制与接缝设计。水力发电·1992(9)：11～17
[29] 王勖成，邵敏编著·有限单元法基本原理和数值方法·北京：清华大学出版社，1997
[30] 朱伯芳·拱坝应力控制标准研究·水力发电·2000(12)：39～44
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[32] [S D 145 85，混凝土拱坝设计规范[S]．]
[33] 陈莉静，陈尧隆等碾压混凝土坝温度场和温度应力仿真计算可视化系统研究·红水河．2001年第2期
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[36] ANSYS公司北京办事处，ANSYS结构场分析指南，2000．1
[37] ANSYS公司成都办事处，ANSYS APDL使用指南，2001．8
[38] ANSYS公司北京办事处，ANSYS建模与分网指南，2000．1
[39] ANSYS公司北京办事处，ANSYS高级技术分析指南，2000．1
[40] 潘家铮·水工建筑物的温度控制·北京：水利电力出版社·1990
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[43] 能源部水利部贵阳勘测设计院，大坝基础开挖图，1990年10月
[44] 许勇·普定电站大坝裂缝工程总结·红枫发电总厂水工分厂·1999年2月
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[47] 陈德祥，许勇·普定水电站碾压混凝土拱坝裂缝成因探讨·贵州水力发电·2000年(1)：34～39
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[53] 徐跃之·RCC施工期温度应力分析及施工安排·人民长江·1998年第9期
[54] Bofang Zhu and Ping Xu, Thermal Stresses and Temperature Control of Concrete Gravity Dams without Longitudinal jiont, in "Innovation in Concrete Structures: Design and Construction", Proceedings of International Conference held at University of Dundee, Scotland, UK, 8～10, September 1999, pp. 127～134
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[57] 李维孟·京南水利枢纽高温季节混凝土施工的温控措施及效果·广西水利水电·1998年第3期
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[62] 黄福来·龙滩水电站高碾压混凝土重力坝施工过程仿真分析·广西大学·2002-05
[63] 贺金仁·高碾压混凝土重力坝的温控防裂研究·河海大学·2003-03
[64] 林鸿镁·龙滩大坝碾压混凝土施工问题的研究(J)·红水河·2002年02期：4～11
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[66] 梅国兴，刘伟宝·大坝碾压混凝土抗渗、抗冻和抗裂的评估(J)·水利水电技术·2003年04期：21～24
[67] 胡永芳，周宜红等·碾压混凝土重力坝施工期温度场研究(J)·水电能源科学·2003年6月：31～34
[68] 李守义，冯海波等·浇筑温度对碾压混凝土重力坝温度应力的影响(J)·中国农村水利水电·2003年第8期：58～60
[69] 肖峰，欧红光等·龙滩碾压混凝土重力坝设计(J)·水力发电·2003年第10期：41～50
[70] 彭田生，刘勇军等·碾压混凝土拱坝三维温度场和应力场仿真计算(J)·人民长江·2004年第2期：41～43
[71] 陈秋华·碾压混凝土高拱坝设计新方法(J)·水力发电·2002年第7期：21～23
[72] 朱岳明，张建斌·碾压混凝土坝高温期连续施工采用冷却水管进行温控的研究(J)·水利学报·2002年第11期：55～59
[73] 朱伯芳·利用预冷集料和水管冷却加快高碾压混凝土重力坝的施工速度(J)·水利水电技术·2001年第3期：11～14