温度对结构应力变形影响的研究

温度对结构应力变形影响的研究

作者：任彦红许正月

来源：《中国科技纵横》2010年第18期

摘要:采用三维有限元仿真计算程序对泄洪底孔进行了计算和分析,探讨了温度对结构应力变形的作用,为进一步研究泄洪底孔等混凝土结构提供了重要参考。

关键词:温度结构应力变形影像

1计算分析模型

对于温度场引起的结构应力分析一般有两种方法,一种是直接法,另一种是顺序法。

根据泄洪底孔坝段结构体形的特点和热分析的要求,构建三维热—结构耦合计算分析模型时,对体形进行了适当的简化,简化的原则是把握问题的关键,忽略次要因素的影响。三维有限元模型如图1-1所示,坐标系为笛卡尔直角坐标系,X轴顺水流方向,指向下游;Y轴铅直向上;Z轴垂直水流方向,指向右岸。

对于几何模型的有限元网格的划分必须要保证足够的精度,因此要把握住主要分析部位和次要分析部位,对主要部位的网格划分要尽量精细,对次要部位的网格划分只要满足计算要求即可。对于正常温降工况下三维计算分析模型来讲,主要部分是闸墩等的大体积混凝土坝体,次要部位为基岩。热分析时采用的是8节点SOLID70热分析单元,结构分析采用的是8节点SOLID45单元。图1-2是温降工况下三维有限元模型网格划分图,模型单元总数为67062,节点总数为16524。基岩底部为固端约束,其余各侧面为法向位移约束。

图.1-1正常温降工况三维计算分析图图.1-2温降工况下三维有限元模型网格划分图

2温度场分析

根据提供的温降10℃的温度载荷,几何模型中凡是与外界接触的部分的表面温度都设为0℃,混凝土大块靠近基岩的部分,接缝处的混凝土部分表面以及最左边的垂直面的温度设为10℃。混凝土材料的热膨胀率为10-5,计算参考温度为0℃。整个热分析过程只考虑热传导,而不考虑对流和辐射等传热方式。经过热分析得到的温度载荷如图.2-1所示。X、Y、Z三个方向的温度梯度如图.2-2～2-4所示。图.2-1基岩和闸墩混凝土块温度载荷图

图.2-2X方向温度梯度分布图图.2-3Y方向温度梯度分布图

图.3-1温度引起的X方向位移

图.2-4Z方向温度梯度分布图

3热结构耦合分析

根据热分析得到的温度场分布的结果文件,然后把分析单元从热单元转换到结构单元,读入热分析的结果文件进行温度应力分析。温度作用引起的位移极值统计如表1所示,温度应力极值如表2所示。温度作用下的位移云图如图.3-1～3-3所示,温度应力云图如图.3-4～3-6所示。

图.3-3温度引起的Z方向位移

图.3-2温度引起的Y方向位移

从温度引起的轴向位移云图可以看出,闸墩混凝土整体结构在X方向(顺水流方向)上的变形最大值0.244mm,出现在左边闸墩的左表面靠近下游的地方,如图.3-1所示。Y方向

表1温度引起的位移极值统计表

DXDYDZ

MaxMinMaxMinMaxMin

0.244-0.1660.365-0.070.767-0.212

上的变形最大值0.365mm,出现在左边闸墩的左表面中间偏上的部位,如图.3-2所示。Z方向上的变形最大值0.767mm,出现在左边闸墩的牛腿部位。从这三个方向的位移可以看出,位移

最大的部位都出现在了左边闸墩处,这主要是由于左边闸墩所收到的约束较小,在温度作用下容易产生膨胀变形。

由应力分布云图可以看出,X方向(顺水流方向)的最大正应力σx发生在泄洪孔底板与左边闸墩相交的地方,如图.3-4所示,最大值为0.524MPa。这主要是由于左边闸墩的左表面的温度很高,在计算时都假定为10℃,而左边闸墩的右表面(靠近泄洪孔的一面)的温度很低,由于与外界接触,都假定为0℃,同时由于左边闸墩相对于其它的混凝土块来说较薄,因此在左边闸墩产生很大的温度梯度,从而引起交界处很大的拉应力。

图.3-4X方向温度正应力

图.3-5Y方向温度正应力

图.3-6Z方向温度正应力

Y方向(竖直向上)的正应力σy最大拉应力值为0.495MPa,出现在坝下0+0041.00处,即接缝处的泄洪孔左下角,如图.3-5所示。在出水口左边闸墩与泄洪孔底板相交的位置的拉应力也较大,但是整个拉应力出现的范围不是很大。

表2温度应力极值统计表

MaxMinMaxMinMaxMinMaxMinMaxMinMaxMin

0.524-1.080.495-0.8450.465-0.8180.327-0.3420.134-0.3030.5-0.35

Z方向(垂直于水流方向指向坝体右岸)正应力σz最大拉应力值为0.465MPa,出现在泄洪孔底板与左边闸墩相交的地方,如下图所示。

在温度作用下,弧门大梁的应力和变形都不是很大,几乎为0。

4结语

根据上面的温度应力分析和其它载荷作用下坝体混凝土的变形应力分析可以得出如下结论:(1)温降10℃时产生的温度应力值不大,最大拉应力为X方向的0.524MPa。(2)温度作用下坝体最大拉应力位置与其它载荷作用下坝体最大拉应力位置不同。温度作用下的最大拉应力区域基本上都是在左边闸墩与泄洪孔底板的交界处,其它载荷作用下的最大拉应力主要集中在弧门

大梁和下部楔形混凝土块上。(3)弧门大梁温度应力很小。(4)温度作用下拉应力最大的部位,在其它载荷作用下基本上是受压,而且压应力的值接近甚至大于温度拉应力,使得结构应力在这些位置得以相互抵消。

作者简介

任彦红:1977年9月出生,甘肃兰州人,2000年7月毕业于西安理工大学水利水电工程专业,工程师,甘肃省电力投资集团公司项目管理部工作。

许正月:1975年11月出生,甘肃兰州人,1999年7月毕业于青海大学水利水电工程专业,工程师,甘肃电投炳灵水电开发有限责任公司计划合同部工作。