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河流冰层对河岸热膨胀应力的可行性分析与计算

韩明  
【摘要】:冰的热膨胀应力是封冻期冰对水工结构物的主要作用力之一,往往影响水利、水运工程的正常运营。客观反映冰层热膨胀应力的变化需要准确描述冰层温度场的变化和热膨胀应力的特性。依次从这两个方面着手,首先对太原汾河二库冰温和冰厚的观测资料进行了分析,得到了有关冰层温度场的特性。然后讨论了冰层热膨胀应力的产生过程同常应变速率条件下冰单轴压缩试验间的共性,简化了低应变速率条件下冰的应力应变曲线,认为应力从零开始线性变化到最大应力值。并把此条件下得到的力学特性参数用于冰温度膨胀应力的计算。 以有限元软件ANSYS作为工具,结合实测温度场反演的导温系数,对1月28日8时至1月29日8时之间24小时的温度场进行了模拟。温度场的计算过程分为24个荷载步进行。温度场的模拟结果与实测温度场进行比较,结果十分吻合,说明在此基础上进一步计算热应力场是可行的。 从第一个荷载步开始,分析模型由于温差产生的热膨胀应力,并将计算结果作为初始应力来分析下一荷载步热膨胀应力的变化。依次计算直到最后。模型的尺寸是以现场冰情为准,其中河宽为长,冰厚为高。河流的轴向长度远远大于河宽,属于平面应变问题,计算宽度取为1m。利用同一温度场分别对垂直固定约束和斜坡约束两种工况的热膨胀应力进行了计算。两个算例在温度升高的过程中,热应力的最大增量分别为0.126MPa和0.1MPa。闪电水库6年的冰应力观测结果中,一般天气中冰压力的最大增量为0.133MPa。这一观测结果与计算结果接近,验证了这种计算冰层热膨胀应力方法的可行性。


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