碾压混凝土拱坝温度应力

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碾压混凝土（RollerCompactedConcrete,RCC）拱坝是一种高效、经济的水工建筑物，其施工过程中温度应力是一个关键问题。由于碾压混凝土具有低水泥用量和高骨料含量的特点，其水化热较低，但仍可能因环境温差、浇筑温度和材料特性等因素产生显著的温度应力。

温度应力主要来源于两方面：一是混凝土内部水化热引起的温升；二是外界环境温度变化导致的热胀冷缩。在拱坝结构中，温度变化会引起体积膨胀或收缩，从而在坝体内部产生拉应力或压应力。如果温度应力超过混凝土的抗拉强度，可能导致裂缝的产生，影响坝体的稳定性和耐久性。

为控制温度应力，通常采取以下措施：1）优化混凝土配合比，降低水化热；2）严格控制浇筑温度莆永高速公路永春至永定泉州段某40mt梁大桥(实施)施工组织设计t，通过预冷骨料或拌合水实现；3）设置冷却水管，加速混凝土散热；4）加强保温养护，减少内外温差；5）合理分缝分块，释放温度变形。

此外，基于数值模拟技术的温度场与应力场分析是研究碾压混凝土拱坝温度应力的重要手段。通过有限元分析，可以预测坝体内的温度分布及应力状态，为设计和施工提供科学依据。总之，合理控制温度应力对保证碾压混凝土拱坝的安全运行至关重要。

在复杂应力状态下，将应变张量分解成拉应变和压应变形式：

其中为应变正特征值（拉主应变），为应变负特征值（压主应变）。相应和为拉、压主应变产生的主应力值：

Sidoroff能量等价原理

1.1复杂应力状态下的本构关系

1.2有效／名义应力应变关系

Lemaitre应变等价原理

基于应变空间的碾压混凝土各向异性损伤本构模型（2）

2、拉应变空间的本构模型

假设损伤主轴、拉应变主轴、拉应力主轴相互重合；各正交主轴方向损伤相互无影响；损伤为弹性损伤。可得主轴坐标系下拉空间受损混凝土材料全量形式的本构关系：

2.1正交各向异性损伤本构模型

总体坐标系下拉空间受损混凝土材料全量形式的本构关系：

总体坐标系下拉空间受损混凝土材料增量形式的本构关系：

基于应变空间的碾压混凝土各向异性损伤本构模型（3）

2、拉应变空间的本构模型

在拉应变空间，破坏时没有残余应力存在，损伤变量的最大值为1.0，卸载过程中，没有损伤积累，损伤变量是非减函数：

A、B为曲线参数，为拉应力峰值点处的割线模量

基于应变空间的碾压混凝土各向异性损伤本构模型（4）

3、压应变空间的本构模型

内蕴时间是表征变形中材料特性和变形程度的一个非减标量。对于碾压混凝土材料，其塑性体积应变主要来自微裂缝的影响，如果把微裂缝影响（它所引起的混凝土的软化、体积膨胀、弹塑性耦合及塑性体积应变）作为损伤问题分离出来，且不考虑塑性偏应变与塑性体积应变在形成广义内摩擦力时的耦合效应。

为考虑循环加、卸载的系数

基于应变空间的碾压混凝土各向异性损伤本构模型（5）

3、压应变空间的本构模型

3.2弹塑性内时本构关系

在压应变空间，考虑弹塑性与损伤耦合，忽略静水压应变的塑性部分，得到偏量形式的本构方程：

基于应变空间的碾压混凝土各向异性损伤本构模型（6）

3、压应变空间的本构模型

在压应变空间，破坏时有残余应力存在，损伤变量的最大值小于1.0，卸载过程中，没有损伤积累，损伤变量是非减函数：

A、B为曲线参数，为压应力峰值点处的割线模量

基于应变空间的碾压混凝土各向异性损伤本构模型（7）

4、模型计算结果与试件结果的比较（1）

碾压混凝土试件尺寸cm，层面处理试件，材料参数为：，，，，，,。

基于应变空间的碾压混凝土各向异性损伤本构模型（8）

4、模型计算结果与试件结果的比较（2）

碾压混凝土拱坝温度场仿真计算方法

1、碾压混凝土浇筑层初始温度和绝热温升计算根据碾压混凝土坝薄层碾压、连续均匀上升的施工特点，考虑各碾压层混凝土浇筑时间和水化热散发时间的不同，应用Laplace变换法和叠加原理求出了多层板状结构体的温度场理论解答，然后以此解析解为基础，合并多个碾压层为一个浇筑层，建立了温度场等效模型，提出了复合浇筑层的等效初始温度和等效绝热温升的计算方法。2、大体积混凝土不稳定温度场求解的迭代算法根据差分法求解的基本特点，应用拉格朗日中值定理，提出一种迭代算法，在适当加大时间步长的同时，保证了求解精度，或者在时间不长不变的情况下，提高求解精度。

碾压混凝土拱坝温度场仿真分析方法（1）

1、碾压混凝土浇筑层初始温度和绝热温升计算

1.1二层混凝土浇筑体温度场

碾压层厚度仅为0.3～0.5m，每天连续施工5～6层，层面暴露时间为3～4小时，间歇期为4～5天。如果把一天甚至一个连续施工期内浇筑的多个碾压层当作一个浇筑层来计算，该浇筑层的初始温度和绝热温升该如何选取？

碾压混凝土拱坝温度场仿真分析方法（2）

1、碾压混凝土浇筑层初始温度和绝热温升计算

1.2多层混凝土浇筑体温度场

碾压混凝土拱坝温度场仿真分析方法（3）

1、碾压混凝土浇筑层初始温度和绝热温升计算

1.3等效初始温度和绝热温升计算

假设：1、浇筑层的龄期从最后浇筑的碾压层浇筑完毕时刻算起。2、在浇筑层形成的时间段内，不考虑各复合浇筑层混凝土之间的热量交换。3、把各碾压层暴露在大气中的时间之和简化为由一个浇筑层暴露在大气中的时间。这相当于在计算初始温度时不考虑层面暴露时间，把这部分时间计入浇筑层形成后的暴露在大气中的时间。4、均匀考虑日照的影响，相当于平均气温和气温变化幅值增加。

碾压混凝土拱坝温度场仿真分析方法（4）

1、碾压混凝土浇筑层初始温度和绝热温升计算

碾压混凝土浇筑层温度场分布与时间过程曲线

碾压混凝土拱坝温度场仿真分析方法（5）

2、大体积混凝土不稳定温度场求解的迭代算法

2.1误差形成示意图：

碾压混凝土拱坝温度场仿真分析方法（6）

2、大体积混凝土不稳定温度场求解的迭代算法

已知在时间域上连续并可导，那么由拉格朗日微分中值定理可知，在和之间至少存在一点，使得：

则得不稳定度场有限元格式解（用迭代法求解）

碾压混凝土拱坝应力场仿真计算方法

应用温度损伤和温度对徐变的影响建立了考虑温度影响的混凝土弹性模量表达式和徐变应变计算的递推公式，应用粘弹性与损伤耦合和正交各向异性损伤理论描述了混凝土在高应力水平下的非线性徐变特性和由于微裂缝扩展引起的刚度退化和应变软化，建立了考虑温度影响的大体积混凝土结构应力场分析的粘弹性有限元表达式。

碾压混凝土拱坝应力场仿真分析方法（1）

1、考虑温度影响的应力场粘弹性分析方法

1.1考虑温度影响的混凝土弹性模量

在温度小幅变化范围内，温度损伤即混凝土弹性模量的降低可以拟合为温差的多项式函数：

碾压混凝土拱坝应力场仿真分析方法（2）

1、考虑温度影响的应力场粘弹性分析方法

1.2考虑温度影响的混凝土徐变度

则徐变应变增量递推公式如下：

设考虑温度影响的混凝土徐变度表示如下：

按照上述递推公式对大体积混凝土结构进行数值计算时，不必记录应力历史。

碾压混凝土拱坝应力场仿真分析方法（3）

1、考虑温度影响的应力场粘弹性分析方法

1.2考虑温度影响的混凝土徐变度

文献［11］的试验资料：在混凝土试件14天恒温在20∘C，然后开始加温到40∘C、62∘C、80∘C，龄期15天加载，保持试件恒温，测得变形如图1。

碾压混凝土拱坝应力场仿真分析方法（4）

1、考虑温度影响的应力场粘弹性分析方法

1.3复杂应力状态下大体积混凝土粘弹性有限元表达式

总体坐标系下受损材料的增量形式本构方程如下：

主轴坐标系下受损材料的增量形式本构方程如下：

大体积混凝土应力场考虑温度影响的非线性粘弹性有限元方程：

碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析

通过多组不同削弱度的深埋椭圆裂缝、深埋矩形裂缝、穿透裂缝三种形式的碾压混凝土试件轴拉试验结果，建立了深埋矩形裂缝碾压混凝土试件的应力强度因子的近似解析表达式，采用虚拟裂缝模型和连续损伤力学方法，计算了断裂过程区的长度和损伤度。根据碾压混凝土拱坝诱导缝构造特点，考虑相邻裂缝的影响，应用双K断裂准则，计算了诱导缝起始扩展和失稳扩展时的等效强度、等效应变和等效损伤度，建立了碾压混凝土拱坝诱导缝的损伤开裂准则。

碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析（1）

碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析（2）

碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析（3）

矩形诱导缝应力强度因子和碾压混凝土断裂韧度计算

当试件高度大于2m时，混凝土断裂韧度趋于稳定考虑尺寸效应后，碾压混凝土的断裂韧度

假设深埋矩形预留缝试件的应力强度因子可以由深埋椭圆预留缝或穿透预留缝试件的应力强度因子通过修正系数求得：

是简化为穿透形裂缝的削弱面积增加率

是矩形裂缝的面积削弱率

碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析（4）

2、碾压混凝土断裂模型

2.2沙牌碾压混凝土试验参数：

碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析（5）

2、碾压混凝土断裂模型

断裂过程区有效裂缝长度(闭合力单直线分布)

断裂过程区应变、割线模量分布

碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析（6）

2、碾压混凝土断裂模型

断裂过程区应变单直线分布

2.3断裂过程区等效损伤度计算

住宅机电安装工程如何管控？如何与装饰配合 完整版可下载 断裂过程区应变双直线分布

碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析（7）

诱导缝计算简图无限大板穿透裂缝模型无限大体深埋椭圆裂缝模型

碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析（8）

4、沙牌诱导缝等效强度计算

1205.吉林项目钢木结构成本(1)修正无限大板穿透裂缝模型

(2)修正无限大体深埋椭圆裂缝模型

碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析（9）