混凝土重力拱坝温度应力引起的初始损伤分析

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近年来,随着我国开始实行可持续发展战略。水电工程作为清洁、无碳能源得到了国家的重视和大力支持。作为重要的水工结构,混凝土大坝是典型的大体积混凝土,在施工期混凝土水泥水化的作用下,结构内部温度的升高和降低会使得混凝土产生膨胀和收缩变形,在此期间由于内、外约束产生的拉应力容易导致混凝土出现裂缝,后期服役可能继续开裂。现有混凝土温度场,应力场研究多采用顺序耦合,且用最大拉应力准则来判别开裂的可能性。对于大型工程混凝土施工过程中温度的生热及开裂属于热-力耦合问题,其中热学是瞬态热传导问题,力学为损伤或断裂力学问题,但在现有研究中混凝土结构多采用完全弹性或弹性徐变本构关系,难以 直接及完整反映混凝土 施工过程中生热和损伤开裂的全过程。本文通过阅读文献,数值计算分析,主要研究成果如下;1.考虑混凝土软化阶段,通过加入损伤力学,提出一种考虑损伤混凝土温度-应力分析方法。2.根据研究问题及提出的方法,基于ABAQUS二次开发平台,使用FORTRAN语言,编制了UMAT、UMATHT、FILM子程序,将混凝土水化热及混凝土弹性损伤理论加入到ABAQUS有限元软件中。通过将二维无限大平板温度场数值解与理论解对比、混凝土压应力应变关系实验曲线与ABAQUS模拟曲线进行对比、混凝土三点受弯梁数值分析证明了本文方法在ABAQUS开发的合理性。3.为了验证本文方法在大体积混凝土的适用性,对一基岩上混凝土浇筑块进行温度-应力分析,得到施工期下的损伤分布主要位于混凝土顶面以及棱角处,采用线弹性模型与损伤模型对比发现两种模型的应力分布相近,在损伤部位下损伤模型较弹性模型应力有一定的降低,且损伤程度越大,应力降低程度越大;通过将损伤发展曲线与开裂风险曲线对比,可以看出两者发展并不同步,损伤分析具有一定的优越性。4.使用本文方法对复杂混凝土工程——碾压混凝土重力拱坝进行施工期下的温度-应力分析,得到施工期下的温度,应力、位移及损伤分布规律。根据损伤分布得到施工期下最易损伤开裂的部位主要位于廊道口及廊道附近、与河谷相交的坝体两侧、坝顶部薄壁处以及坝体表面处。通过计算证明了本文损伤模型对大型工程也具有一定的适用性,可以为工程的优化设计、运行和风险管理提供一定参考。
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