坝后背管运行期温度应力分析
】
近年来，中国陆续有几座大型水电站采用了坝后背管结构，在施工和运行期，背管外包混凝土都不同程度出现了裂缝。产生裂缝的因素很多，其中，温度应力是主要因素之一。文章分析采用ANSYS软件，针对黄河李家峡水电站坝后背管，计算分析运行期冬、夏2个特殊阶段管壁内外温降、温升作用下的温度场和温度应力，以及温度场和内水压力叠加产生的应力。计算中，不考虑背管混凝土内部水化热温度；考虑钢管、钢筋、混凝土不同导热率，不同线膨胀 系数的影响；将夏季因为太阳照射使背管外包混凝土表面温度高于空气温度的现象通过对流系数反映。
1 计算原理和计算基本资料
1．1 计算原理
ANSYS软件求解温度场遵循导热基本定律（傅立叶定律），即：当物体内部存在温度梯度时，热量将从高温部分传递到低温部分；而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。这种热量传递的方式称为热传导。其关系式是：
Q/t=kA(Thot-Tcold)/d (1)
式中：Q为时间t内的传热量；k为热传导率；Thot为相对高的温度，Tcold为相对低的温度，A为平面面积，d为两平面之间的距离。
ANSYS软件在求解温度场时处理对流现象采用牛顿冷却公式。热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量交换。当流体被冷却时，其关系式是：
q＝hA（tf－tw）（2）
式中：q为热量；h为对流换热系数；tf为流体温度；tw为固体的表面温度，A为平面面积。
1．2 计算基本资料
李家峡坝后背管特性如下：钢管内半径为4 m，背管斜直段外包混凝土厚1．5 m，钢管壁厚t＝26mm。布置于混凝土中的钢筋分内外两圈，内圈的内层为32＠20，外层为25＠20；外圈钢筋内外层均为32＠20。坝后背管是单轴对称性结构，可简化为二维平面问题计算。在二维计算分析中为了便于有限元网格剖分均匀和计算，对钢筋的分布进行了合理的简化，即把内外圈钢筋各合并成一层，每米长度范围内各布10根钢筋，因此，内外圈钢筋总面积分别取6 476 mm2和8 043 mm2，钢筋折算厚度，内圈厚ti＝6．48 mm，外圈厚to＝8．04 mm。有限元网格 剖分如图1。
在有限元热分析时，钢管、钢筋、混凝土均采用ANSYS单元库里平面单元PLANE55来模拟，应力分析时，单元自动转为PLANE42。内水压力和温度场叠加时，只考虑背管内水压力，不考虑背管自重，内水压力p＝1．392 MPa（设计水头）。
背管混凝土强度等级为C25，重度r＝24．5kN／m3，弹性模量E＝29 GPa，泊松比μ＝0．167；钢管采用16Mn钢，弹性模量E＝206 GPa，泊松比μ ＝0．3；钢筋为Ⅱ级钢筋，弹性模量E＝200 GPa，泊松比μ＝0．3。
钢管、钢筋的热传导率取35 W／m℃，热膨胀系数取1．2×10－5／℃；混凝土的热传导率取2．1W／m℃，热膨胀系数取0．9×10－5／℃。
夏季，钢管内水温取10℃；背管混凝土外壁取25℃，空气对流系数取20 W／m2℃。冬季钢管内水温取0℃，背管混凝土外壁取－25℃。起始温度（自由应变参考温度）均取15℃。
2 夏季背管温度场、温度应力及内水压力和温度场叠加应力
通过计算分析，得到主要成果如下：
夏季管腰温度场曲线反映出从内壁到外壁温度的折线性变化，虽然钢管、钢筋的热传导率和混凝土的热传导率不同，但由于钢管、钢筋厚度太小，使得折线不太明显。
夏季管腰环向温度应力（图2）反映出从内壁到外壁由受拉到受压的变化规律。由于钢管、钢筋与混凝土的热膨胀系数、弹模的不同而产生的拉、压突变很明显。在折线图上，最大拉应力为14．81 MPa，位于管腰内壁；最大压应力为18．04 MPa，位于外圈钢 筋处；外壁处压应力为1．61 MPa。
夏季管顶环向温度应力同样反映出从内壁到外壁由受拉到受压的变化规律及因线膨胀系数的不同导致的拉、压突变。在折线图上，最大拉应力为1．92MPa，位于管顶内壁；最大压应力为13．81 MPa，位于外圈钢筋处；外壁处压应力为1．22 MPa。
管顶与管腰比较，内壁处管顶的拉应力比管腰的大；外圈钢筋处管顶的压应力比管腰的小；外壁处管顶的压应力比管腰的小。
夏季管顶内水压力和温度场叠加环向应力反映出从内壁到外壁由内水压力产生的纯拉应力与温度场应力相叠加，拉压部分抵消的趋势。在折线图上，最大拉应力为35．17 MPa，位于管顶内壁；最大压应力为5．2 MPa，位于外圈钢筋处；外壁处变为很小的拉应力。
夏季管腰内水压力和温度场叠加环向应力，在折线图上，最大拉应力为35．64 MPa，位于管腰内壁；最大压应力为5．25 MPa，位于外圈钢筋处；外壁处变为很小的拉应力。
3 冬季背管温度场、温度应力及内水压力和温度场叠加应力
通过计算分析，得到主要成果如下：
冬季管腰环向温度应力（图3）反映出从内壁到外壁由受压到受拉的变化规律。在折线图上，最大压应力为43．69 MPa，位于管腰内壁；最大拉应力为23．63 MPa，位于外圈钢筋处；外壁处拉应力为5．32 MPa。
冬季管顶环向温度应力同样反映出从内壁到外壁由受压到受拉的变化规律及因热膨胀系数的不同导致的拉、压突变。在折线图上，最大压应力为18．1MPa，位于管腰内壁；最大拉应力为17．64 MPa，位于外圈钢筋处；外壁处拉应力为3．34 MPa。
管顶与管腰比较，内壁处管顶的压应力比管腰 的小；外圈钢筋处管顶的拉应力比管腰的小，外壁处管顶的拉应力比管腰的小。
冬季管顶内力和温度场叠加环向应力反映出从内壁到外壁由内力产生的纯拉应力与温度场应力拉压部分抵消及拉拉相加的趋势。在折线图上，最大拉应力为15 MPa，位于管腰内壁；最大拉应力为26．25MPa，位于外圈钢筋处；外壁处拉应力为5．1 MPa。
冬季管腰内水压力和温度场叠加环向应力，在折线图上，最大压应力为22．87 MPa，位于管腰内壁；最大拉应力为38．9 MPa，位于外圈钢筋处；外壁处拉应力为10 MPa。
4 计算成果分析
计算成果（表1）反映出从内壁到外壁有温度梯度时，升温面产生压应力，降温面产生拉应力的规律与结构力学算法的结论一致。
冬季背管外壁由内水压力产生的拉应力与温度拉应力叠加是混凝土产生裂缝的重要原因，运行期要注意冬季背管外壁保温问题。
由于钢筋与混凝土的热膨胀系数的不同，导致在钢筋处应力突变、应力集中，特别是在外圈钢筋处更突出，这使得外圈钢筋周围的混凝土容易被拉裂。
冬夏不同的温度梯度产生的拉压应力变化使背管混凝土裂缝处于闭合、张开的交替状态，会使裂缝的分布规律与纯粹的简支梁受弯构件的裂缝分布有所不同，在参考简支梁受弯构件的裂缝成因来分析背管混凝土裂缝时应注意这个因素。
|
|
相关链接
|
|