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封拱温度对砌石拱坝应力的影响研究
封拱温度对砌石拱坝应力的影响研究
第42卷第15期
2011年8月
人民长江
YangtzeRiver
Vo1.42.No.15
Aug.,2011
文章编号:1001—4179(2011ll5—0044—03
封拱温度对砌石拱坝应力的影响研究
龚羊庆,吴海真,吴晓彬
(江西省水利科学研究院,江西南昌330029)
摘要:温度荷载是砌石拱坝应力控制性边界条件之一,其中年平均温度场和变化温度场为自然环境边界条件,
较难人为控制,而封拱温度场可采取工程措施加以控制.对于不设横缝,整体上升砌筑的拱坝,各拱层封拱温
度随施工期气温,建筑材料及砌体温度变化而变化,不是一个常数,合理选择封拱温度区间是控制砌石拱坝应
力的有效手段.通过对砌石拱坝进行温度场和应力场仿真计算,分析了不同封拱温度场对砌石拱坝应力的影
响规律,建立了安全封拱温度计算模型,并给出了相应的表达式.算例表明,采用该计算模型确定安全封拱温
度区间,可有效控制坝体应力.
关键词:砌石拱坝;拱坝应力;安全封拱温度;温度荷载
中图法分类号:TV641.31文献标志码:A
砌石拱坝具有经济安全,施工期短等优点,广泛应
用于中小型水利水电工程中.拱坝为超静定结构,受
外界温度的剧烈变化影响,坝体常出现显着的拉应力,
对于未设横缝,整体上升砌筑的砌石拱坝(以下简称
砌石拱坝)尤其明显.在运行初期遭遇寒潮的冲击
后,由于坝高体薄,砌石拱坝常或多或少出现温度裂
缝,一些为表面裂缝,一些甚至为贯穿性裂缝,这势必
影响大坝的耐久性和整体性.
温度荷载一般占拱坝总荷载的30%左右,是砌
石拱坝应力控制性边界条件之一.目前规范给定的封
拱温度范围较大,可操作性不强,因此合理确定安
全封拱温度是砌石拱坝设计的重要内容.虽然文献
[4]提出了一种基于可靠性理论的分层确定拱坝封拱
温度的方法,但由于该方法将拱坝视为一组互不相连
的独立拱圈进行分析,因此其精度还有待研究.文献
[5]给出了在不允许坝面开裂及允许坝面出现微小裂
纹两种情况下,确定混凝土拱坝安全封拱温度的方法,
但其作者认为坝体上下游面最大主应力与封拱温度呈
线性关系,不甚合理.
本文通过分析不同封拱温度场对砌石拱坝应力的
影响规律,提出了安全封拱温度计算模型,并给出了相
应的表达式.该方法为砌石拱坝设计与施工提供了一
种温度应力控制方法,相对于传统设计而言,更具有一
定的实用价值和推广价值.
1温度荷载和封拱温度
拱坝拱圈某一截面上的温度变化见图1.图1中
阴影部分的面积就是温度变化值,即温度荷载].该
温度荷载可以分解为均匀温度变化,等效线性温差
及非线性温差等三部分,其中,将产生自生温
度应力,表现为坝体的表面应力,在进行拱坝整体应力
分析时可不予考虑,而和则应按热传导理论进
行计算,并求其最不利组合,它们的计算公式分别为:
=
÷JTdx
Td=12
J.L
一
/2
d(1)
T,
:—一—
}
式中,为坝体厚度;T为温度变化值,并为坐标的函
收稿日期:2011—04—13
基金项目:71~5i部岩土力学与工程重点实验室开放研究基金项目(G07一O3)
作者简介:龚羊庆,男,硕士,主要从事水利工程安全技术研究.E—mail:gyqingkm2002@126,corn
第l5期龚羊庆,等:封拱温度对砌石拱坝应力的影响研究45
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图1拱圈任一截面的温度荷载
数.
拱坝的温度荷载可由封拱温度场,年平均温度场
和变化温度场的相应值求得,其中,均匀温度变化
和等效线性温差可分别按下式计算:
Tm=Tl—0+m2,Td=Td1一do+d2(2)
式中,和的下标0,1,2分别表示与封拱,年平均
和变化3个特征温度场所相应的值,具体计算可参考
文献[7].
拱坝的温度荷载中的年平均温度场和变化温度场
是自然环境边界条件,随环境温度变化而变化,难以人
为控制,而封拱温度场可在施工过程中采取相应工程
措施加以控制.
表1为江西省双门石砌石拱坝的温度荷载.该拱
坝所在地区年平均气温为15.0~C,气温年变幅为
11oC,日照影响为2~C.该拱坝温度荷载的计算结果
表明(表1),大坝上部拱圈封拱温度.均大于年平
均气温,温降时的绝对值较大,对于温降组合时的
应力极为不利.
表1双门石砌石拱坝的温度荷载(拱冠梁)
在砌石拱坝设计中常以年平均气温以下的温度值
作为封拱温度,其基本思想是充分利用砌石体抗压强
度较高,抗拉强度较低的特点,以牺牲抗压安全度来换
取拱圈不致发生受拉破坏为目的.同时,拱坝受力特
点与重力坝不同,降低或提高封拱温度均可能导致拱
圈弯矩增大,出现较大拉应力.
笔者通过大量研究发现,坝体最大主拉应力与封
墨工
拱温度存在一定的关系,如图2所
示.即当封拱
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