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(nèi)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(zhì)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(zhì)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(nèi)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(diào)法計算溫度應力極值并對比幾組工況得出相關結(jié)論如下：
　?。?）施工期在無內(nèi)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(nèi)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。
　　（2）施工期襯砌應力極值均在混凝土強度允許范圍內(nèi)，正常運行期增加內(nèi)水壓力使得襯砌的拉應力極值超出了混凝土抗拉強度?？芍獙τ诟咚^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(nèi)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(nèi)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(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，建立較為符合實際的計算模型，從而彌補傳統(tǒng)方法相應