闸墩裂缝成因的非线性有限元法分析

闸墩裂缝成因的非线性有限元法分析

1赵国柱 ,2王杨

1 南京水利科学研究院岩土工程研究所    

 2 江苏苏盛工程造价咨询有限公司            

摘要：为分析溢流坝闸墩上形式各异的裂缝的不同成因，以江西峡江水电站为例，考虑混凝土闸墩运行期温度作用的特点，运用非线性有限元法对溢流坝闸墩进行仿真计算。通过对各种实际工况、仿真计算结果与裂缝实际分布的对比分析，得出温度骤降、结构设计缺陷和闸门开启方式分别是闸墩上各种不同裂缝形成的主要成因，并找出闸墩运行期的最不利荷载组合及闸墩最易拉裂位置点。

关键词：闸墩裂缝；荷载组合；非线性有限元；裂缝成因；

据国内外的调查资料表明，建筑结构中只有20％的裂缝源于常规荷载，而另外80％的裂缝却是由于温度、收缩、不均匀变形等引起的[1]。在以往将其与非线性有限元仿真计算结果进行对比分析，而得出不同裂缝所产生的原因,找出闸墩的最不利荷载组合及闸墩最易拉裂位置点。

1.工程概况 

始建于2016年的峡江水电站是我国自行设计、自行施工的第一个坝内式厂房水电站。拦河坝为混凝土空腹重力坝，坝顶全长153m,由10个坝段组成。中间5个坝段为溢流坝段,最大坝高67.5m，最大坝底宽度58.3m。溢洪道设有5个7m×12m的孔口。

闸墩位于大坝中间5个溢流坝段内,中间的4个闸墩下游部分内部设有母线洞。在闸墩两侧母线洞、通风洞附近高程177.02~185.79m处均出现一条或数条形式各异的斜裂缝,裂缝基本在4个闸墩的同一部位。裂缝总体呈线状，走向上游低下游高,宽约0.12~0.15mm，一般靠溢流面较宽，往上逐渐尖灭或中部较宽向二端尖灭。裂缝位置见图6。

2.计算模型和参数

3.2.1 计算模型   

考虑坝体结构形式的对称性,以其中一个溢流坝段的一半为计算区域, 三维有限元计算模型见图1。坝体的内部结构中有检查廊道，坝内厂房及母线出线洞。母线出线洞尺寸为2m×2m,闸墩在母线出线洞处厚度仅为1.0m。

图1  三维有限元计算模型

Fig.13-D finite element simulated model

2.2 主要计算参数  

本文采用大型通用有限元程序ANSYS进行计算。其本构关系的具体数学模型为：

当时，；

当时，                  （1）

根据本工程实际结构形式及受力情况，混凝土强度准则采用William-Warnker五参数强度准则，考虑静水压力较小情况的张开裂缝剪切传递系数、闭合裂缝剪切传递系数、抗拉强度可分别定为0.7，1，1.8×106MPa。据《上犹江水电站结构安全复核报告》资料给出闸墩混凝土设计值为200#，并由规范取弹性模量为2×1010Pa,泊松比为0.167，极限抗拉强度为1.8×106MPa。混凝土主要热力学性能指标由有关资料取温度线膨胀系数为1×10-5，密度为2400kg/m3，导热系数为10.2KJ/(m.h. ℃),比热为0.95KJ/（kg. ℃）。

根据当地气象资料，当地多年月平均气温拟合公式如下：

Ta(t)=17.5+10.5cos[π/6(t-7.17)]             (2)                     

式中t为月份。

与气温相比，水库水温的变化有滞后现象，根据回归分析拟定的水库水温统计预测公式如下[2]：

T=2.24+16.7e-0.016z+5.4e-0.018z+8.75e0.021z-0.0012z2 cos(0.523t-3.622-0.077z+0.003z2)          (3)                     

式中：z为沿水深方向坐标，水面处为坐标原点。

考虑混凝土的干缩变形和自生体积变形，两者拟合公式如下[5]：

εs(t) =0.6×t/（152.79+3.27t）×10-3         (4) 

徐变：

 C(t,τ)=C1(1+9.2τ0.45)[1-e-0.3(t-τ)]+C2(1+1.7τ0.45)[1-e-0.005(t-τ)]  (5)                                       

 式中：t为时间；τ为加载龄期；C1为可恢复徐变，C1=0.23/E0；C2为不可恢复徐变，C2=0.52/E0；E0为混凝土最终弹模，E0=1.05E。

3.工况仿真计算  

闸墩在运行期受到自重、静水压力（闸门以下水位）、闸门推力和温度等荷载的作用，按不同的荷载组合及结构形式，可得几种主要工况如下：

工况一：自重+静水压力+闸门推力（闸墩两侧工作闸门同时关闭），为不考虑温度荷载情况。

工况二：自重+静水压力+闸门推力（闸墩一侧闸门关闭一侧开启），为不考虑温度荷载情况。当开启闸门泄洪时，可能会出现闸墩一侧闸门关闭一侧开启的情况，则单侧荷载作用会出现“附加”扭矩的不利影响。

为考察各种工况下闸墩不同部位的应力情况，本文在闸墩上布置了关键点如图6。关键点第一主应力计算结果见表1，应力以拉为正，压为负.

表1关键点第一主应力成果表（单位：MPa）

Tab.1Results of first main stress on key points (unit:MPa)

1).工况一计算结果分析： 由主应力计算成果表知闸门槽颈部关键点16、17附近拉应力在0.17~0.32MPa之间，而用材料力学方法计算门槽颈部190.5～189.5m高程段拉应力为0.190 MPa，185.5～184.5 m高程段拉应力为0.267 MPa，两者计算结果相差不大，由此可知在静力计算中有限单元法与材料力学方法的结果大致相符。又由主应力计算表知闸墩其余部位拉应力在0.003~0.13 MPa之间，均小于混凝土容许拉应力。

2).工况二计算结果分析：由主应力计算成果表知闸门槽颈部关键点16、17附近拉应力在0.11~0.14MPa之间，较工况一为小。各部位均小于混凝土容许拉应力。

3).工况三计算结果分析：由主应力计算成果表知闸门槽颈部关键点16、17附近拉应力在0.14~0.42 MPa各部位均在容许应力范围内。

4.结论

通过对上峡江水电站大坝溢流段闸墩各种工况的非线性有限元法计算分析可知，闸墩产生裂缝的成因可能有三种：由温度骤降作用产生裂缝①；由结构设计缺陷产生裂缝②；由“附加”扭矩作用产生裂缝③ 。计算结果与闸墩实际裂缝情况吻合。因此，在闸墩设计中只要通过有效的计算分析，便可以找到有效方法避免裂缝的发生。

参考文献

[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].中国建筑工业出版社，1997：34-36