基于ANSYS子模型法的拱壩交通井溫度應力分布研究

摘要：

拱壩運行期受溫度荷載影響較大，壩身交通井內部空腔較多，空腔壁受壩體內部溫度場作用下的應力分布較為復雜，其配筋計算是拱壩設計中較難處理的問題之一。以楊房溝水電站混凝土拱壩交通井為例，采用ANSYS有限元子模型法，在對拱壩整體建模分析獲取壩段位移邊界的基礎上，建立交通井壩段細部三維有限元模型，分析交通井子模型溫度場，并將結果作為體荷載施加到應力計算模型中，分析運行期溫降與溫升工況下，交通井各段內部受力狀態及分布規律。結果表明：大多數位置溫升工況拉應力大于溫降工況，空腔壁周邊水平向拉應力較大，豎向拉應力較小。交通井井體位于半壩內、半壩外位置的高程段時，空腔壁拉應力明顯增大，在結構配筋設計時需引起注意。研究結果可為類似拱壩交通井空腔結構設計提供參考。

關鍵詞：

混凝土拱壩； 交通井； ANSYS子模型法； 溫度應力場

中圖法分類號：TV642.4

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.02.015

文章編號：1006-0081（2025）02-0082-06

0 引 言

溫度荷載是混凝土拱壩主要荷載之一［1-2］，在運行過程中，氣候變化和庫水位變化等都會引起壩體溫度的變化，外部溫度升高或降低均會導致壩內溫度應力的產生［3-4］。根據水電站泄水、引水、交通等功能需要，壩體內部需設置泄洪孔、引水管、廊道、交通井等，交通井內部設有電梯井、電梯前室、樓梯間、電纜井、通風井等空腔結構，溫度荷載在空腔部位會出現應力集中現象［5-7］。此外，在三維有限元分析過程中，拱壩的溫度場分布情況需在整體模型中計算，而交通井等細部結構計算又對網格精細化程度提出較高要求，二者之間的協調也是交通井計算過程中需要考慮的因素。

李茂清［8］、顧冬冬［9］對拱壩整體溫度場數值進行模擬計算，探尋應力分布規律；張夢中等［10］利用已建成壩體的溫度和變形監測資料對拱壩溫度場進行反演分析，研究其運行期溫度應力分布規律；張元澤等［11］應用子模型法，研究了拱壩廊道應力分布及配筋方法。但是，針對拱壩交通井內復雜結構的溫度場計算、應力分布分析的研究較少。

本文以楊房溝混凝土拱壩交通井為例，采用ANSYS有限元子模型法，建立交通井壩段細部三維有限元模型，分析運行期溫升和溫降工況下，交通井內部受力狀態和分布規律。研究結果可為類似拱壩交通井等細部空腔結構的數值模擬計算，及找尋其在運行期受外界溫度變化影響產生的應力分布規律提供參考。

1 研究方法

1.1 溫度場分析方法

拱壩在有限元模擬過程中，溫度場與應力場多個自由度互相影響，溫度場對應力場有直接影響，但應力場對溫度場的干擾不大，因此僅考慮溫度場對應力場的單向影響，將溫度場分析結果作為體荷載施加到應力場計算中去，不進行迭代計算即可滿足要求。

拱壩的溫度荷載以封拱溫度為基準，通過壩址所在區域多年平均溫度及變化情況，確定溫升、溫降工況下各高程的均勻溫差與線性溫差，折算后施加在壩段上、下游節點上，在ANSYS中進行熱分析計算獲取壩段溫度場分布，再將溫度場計算結果以體力荷載形式加入結構計算模型中，求解獲取模型各部位的應力分布情況。

1.2 有限元子模型法

拱壩作為三維空間殼型整體結構，為獲得相應工況下交通井所在壩段的位移及應力邊界條件，需考慮不同混凝土分區、地基結構面等因素，并對整個壩體地基進行建模計算，模型尺寸達到千米級［12-13］。而交通井為滿足通風、通電、安全等要求，其內部空間分割復雜，部分空腔薄壁厚度僅0.5 m，如按此尺寸劃分單元，所建立的模型單元節點往往接近百萬，模型運行困難［14］。為實現交通井區域精確分析的目的，采用有限元子模型法，首先忽略壩體中交通井、廊道、泄洪孔等細部結構，僅考慮工程區域地形及地質分層條件，建立整體三維有限元模型，對大壩各區域位移、應力分布情況進行模擬；再從中提取交通井所在壩段，建立包含復雜空腔結構的精細化子模型，針對子模型中與相鄰壩段縫面及地基面的切割邊界節點，在整體模型結果中插值計算獲取邊界節點的位移結果，施加到子模型切割邊界上。

采用有限元子模型法主要優勢：① 解決了整體模型規模龐大和細部結構精細模擬之間的矛盾；② 整體模型的計算結果可重復利用在交通井、廊道、泄洪孔、閘墩等細部結構的計算分析中，僅需分別建立不同子模型即可，有效減輕設計過程中建模工作量。

2 拱壩交通井三維有限元模擬

2.1 拱壩整體模型計算

楊房溝水電站為Ⅰ等大（1）型工程，正常蓄水位2 094 m，死水位2 080 m，混凝土雙曲拱壩高155 m，壩頂高程為2 102 m。拱冠梁頂部厚9 m，底部厚32 m，厚高比為0.206，拱端最大厚度34.96 m，最大中心角87.01°。壩頂中心線弧長362.17 m，分18個壩段，弧高比2.34。

通過整體模型對大壩及壩基地質分層情況進行模擬，采用SOLID 185單元劃分網格。模型坐標系x軸沿橫河向布置，指向右岸為正；y軸沿順河向布置，指向下游為正；z軸與海拔高程一致，豎直向上為正。整體模型范圍及網格示意見圖1。

2.2 交通井子模型

工程豎向交通采用分段布置，1號交通井自高程2 005 m水平廊道通往壩頂，2號交通井自高程1 955 m 基礎廊道通往2 005 m水平廊道。本文以2號交通井所在的壩段作為模擬對象。2號交通井主要由樓梯間、電梯井、通風井、電纜井等組成，其電梯停靠層高程分別為1 955.0，2 004.5 m，安全門層高程分別為1 964.9，1 974.8，1 984.7，1 994.6 m，經電梯前室與樓梯間相連，交通井底部設置電梯緩沖坑，頂部設置電梯機房與風機房，另有前室通風井、樓梯間通風井以及電纜井貫穿。交通井結構型式見圖2。交通井子模型（圖3）同樣采用SOLID 185單元進行網格劃分，其計算坐標系與整體模型一致。

2.3 計算工況、荷載及邊界條件

（1） 計算工況。

考慮壩體正常運行期，庫水位為正常蓄水位，分別疊加溫降、溫升工況下的交通井應力分布情況。

（2） 荷載。

考慮包括自重、靜水壓力、淤沙壓力及溫升或溫降荷載。其中，拱壩各高程的封拱溫度及溫度荷載見表1。

實際計算過程中，根據不同高程溫度荷載，賦予相應節點：

T上游面=Tm+1/2Td（1）

T下游面=Tm-1/2Td（2）

式中：Tm為均勻溫差;

Td為線性溫差。需要注意的是，由于交通井采用壩內外結合布置，考慮交通井壁較薄，壩外部分直接與外界接觸，溫度傳導迅速，因此將模型壩外部分全部節點按照高程統一賦予與壩段下游面一致的溫度邊界進行計算。

（3） 邊界條件。

采用子模型法進行計算，首先對整體模型進行計算，然后插值計算得到子模型切割邊界（壩段底面和橫縫面）上的位移結果，再將此位移結果施加到切割邊界上。

3 應力計算結果及分布規律

由于交通井空腔的結構壁均與模型坐標軸方向重合，因此計算結果中的正應力為設計過程中主要的配筋計算分析對象，交通井各層水平向拉應力最大值變化曲線見圖4。由圖4可得，交通井空腔壁結構溫升工況產生的拉應力大于溫降工況，與拱壩整體結構的溫降工況產生拉應力、溫升工況產生壓應力的趨勢不同。由于交通井與壩體下游面交界點高程約1 975 m，此高程以下段交通井完全位于壩體內部，在此高程以上，交通井下游側開始逐步露出壩外，由此上、下兩段應力分布規律不同。

對于橫河向拉應力，在1 978.3 m封閉層及以下，拉應力大小主要受交通井本身空腔分布結構影響，整體呈現停靠層與安全門層應力較大，封閉層應力較小的規律，溫降工況產生應力變化波動小于溫升工況，同層結構在不同工況下，大致呈現封閉層溫降工況產生應力大于溫升工況，停靠層與安全門層的規律相反，但兩種工況下的應力較為接近；在1 984.7 m安全層及以上，溫升工況產生拉應力顯著增大，而溫降工況下應力變化不明顯。交通井上半段拉應力最大值出現在1 988.2 m封閉層中，此處正是交通井空腔結構開始超出壩體下游輪廓線的位置，下游部分空腔壁出露在壩體外，壩體內

外溫度差異導致交通井內部產生應力集中，最大應力激增，而隨著交通井結構出露部分增多，交通井內部溫度再次趨向一致，兩種工況下拉應力最大值均呈現減小趨勢。

對于順河向拉應力，溫升與溫降工況同樣呈

現交通井上半段應力大于下半段的情況，兩種工況下拉應力最大值均出現在1 988.2 m封閉層中，與橫河向拉應力一致，其中溫升工況產生拉應力最大值為6.15 MPa，隨著高程繼續增大，交通井出露壩體外的比例增多，溫度荷載對交通井的影響減小，拉應力最大值逐漸減小。

電梯井各層豎向拉應力最大值變化曲線見圖5，由圖5可以看出，層內結構變化對豎向拉應力最大值影響非常明顯，在停靠層及安全門層拉應力為負值，即整層均未出現拉應力，在封閉層出現正向拉應力，但與同層橫河向、順河向拉應力最大值相比普遍偏小。

圖6，7分別為溫降、溫升工況下，交通井典型層第一主應力分布云圖，方向為上游側看向下游側。分析電梯井自下而上各層最大第一主應力出現位置可得，在1 978.3 m封閉層及以下，停靠及安全門層的應力最大值出現在前室偏下游側，封閉層的應力最大值出現在通風井或電纜井壁上；在1 984.7 m安全層及以上，各層應力最大值均轉移至樓梯間左側墻上，此處受交通井出露壩體導致溫度應力的影響最大，兩種工況下的應力分布規律一致。最大主應力位置的轉移，與正應力數值規律發生變化的高程一致。

4 結 論

本文以楊房溝混凝土拱壩交通橋為例，通過ANSYS三維有限元子模型法，在對拱壩整體建模分析獲取壩段位移邊界的基礎上，建立交通井壩段細部三維有限元模型，對拱壩交通井在溫降及溫升工況下的應力分布規律進行了研究，主要結論如下。

（1） 大多數位置下，溫升工況交通井空腔壁拉應

力最大值大于溫降工況，空腔壁周邊水平向拉應力較大，豎向拉應力較小。

（2） 壩內外結合布置的交通井，其內部應力受井內空腔結構和交通井位于壩體中位置變化雙重影響，在交通井出露壩體下游輪廓線段，井體處于半壩內半壩外時，會出現拉應力激增情況，在結構配筋設計時需引起注意。

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（編輯：江 燾，舒忠磊）

Thermal stress distribution analysis of transportation shaft in arch dam based on ANSYS sub-model method

ZHOU Renjie，WU Ben

（China Energy Engineering Group Zhejiang Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

Abstract： Arch dam is greatly influenced by temperature load during operation.There are many cavities in the transportation shaft of the dam body.Under the action of internal temperature field of dam body，the stress distribution of the cavity wall is complex，so the calculation of reinforcement is one of the difficulties in the design process of arch dam.Taking the transportation shaft of Yangfanggou Hydropower Station concrete arch dam as an example，based on ANSYS finite element sub-model method，the entire three-dimensional finite element model of arch dam was established to obtain the displacement boundary values of the dam section.The detailed three-dimensional finite element model of transportation shaft dam section was established to calculate the thermal field，and the results were loaded to calculate stress field.The internal stress distribution of each section in transportation shaft was analyzed under the temperature drop and rise conditions during operation.The results showed that the tensile stress under temperature rise condition was greater than that under temperature drop condition at most positions.When the transportation shaft body was located at the elevation section of half inside and half outside the dam，the tensile stress of the cavity wall increased significantly，which needed to be noted in the structural reinforcement design.The research results can provide a reference for the design of cavity structure of similar arch dam communication well.

Key words：

concrete arch dam； transportation shaft； ANSYS sub-model method； thermal stress field