基于分載法變形假定的拱壩有限元分析研究.pdf

1、拱壩是一種經(jīng)濟(jì)性和安全性?xún)?yōu)越的壩型,在我國(guó)西部的高壩建設(shè)中占有重要位置。目前,我國(guó)在建或擬建的拱壩中,溪洛渡,錦屏一級(jí),白鶴灘等拱壩壩高均在250m以上,其安全性能不容忽視,一旦失事,將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命安全構(gòu)成重大威脅,甚至影響社會(huì)穩(wěn)定.高拱壩體型偏薄,受力復(fù)雜,以往工程經(jīng)驗(yàn)少,因此對(duì)其關(guān)鍵部位,如壩踵,壩肩的受力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估尤為重要。我國(guó)現(xiàn)行拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,拱壩應(yīng)力分析主要采用拱梁分載法和有限元法.拱梁分載法假設(shè)壩體荷載由拱圈和

2、懸臂梁共同承受,計(jì)算采用平截面假定(嚴(yán)格意義上應(yīng)為徑向纖維直線假定),其應(yīng)力成果與材料力學(xué)理論相近,是現(xiàn)行規(guī)范推薦的基本方法,但其靈活性不足;有限元法建模方便,使用靈活,但在壩踵壩址部位存在應(yīng)力集中,且計(jì)算結(jié)果隨著網(wǎng)格的粗細(xì)和單元類(lèi)型的不同出現(xiàn)不穩(wěn)定性。鑒于有限元法和拱梁分載法各自的優(yōu)點(diǎn),本文提出一種帶有分載法基本假定的拱壩有限元計(jì)算方法,用于拱壩的應(yīng)力分析。
　　 本文首先介紹了拱梁分載法和有限元法的基本理論,引出徑向纖維直線

3、假定概念,論證基于分載法變形假定的拱壩有限元分析方法的可行性和必要性.以白鶴灘水電站1/3壩高處典型拱圈為例,利用大型通用軟件ANSYS建立模型,提出了在纖維處插入剛性單元和引入位移約束方程這兩種基于徑向纖維直線假定的有限元分析途徑。分析結(jié)果表明,纖維各結(jié)點(diǎn)約束方向的位移分布和正應(yīng)力分布呈線性關(guān)系,有效地緩和了常規(guī)有限元計(jì)算方法的應(yīng)力集中問(wèn)題,并通過(guò)與結(jié)構(gòu)力學(xué)簡(jiǎn)化方法的比較,驗(yàn)證了基于分載法變形假定的有限元分析方法的可行性.同時(shí)對(duì)拱圈纖

4、維的約束范圍做了探討,提出了只在應(yīng)力集中的拱端附近進(jìn)行自由度約束的有限元模型。
　　 選取一等厚單曲拱壩進(jìn)行基于分載法變形假定的有限元分析,壩體纖維的切向和豎向位移設(shè)定了自由度耦合約束,計(jì)算結(jié)果表明壩體纖維的切向和豎向正應(yīng)力分布呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系,一定程度地解決了常規(guī)有限元法的應(yīng)力集中問(wèn)題。當(dāng)壩體采用一次單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格時(shí),基于分載法變形基本假定的拱壩有限元法應(yīng)力分析成果與分載法的成果十分吻合,對(duì)兩種算法及其軟件的正確性起到了相互驗(yàn)