高坝结构分析的有限单元法-拱坝

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1、有限单元法在水工结构分析中的应用——高坝结构分析的有限元法常晓林武汉大学水利水电学院硕士研究生课程主要讲授内容1重力坝应力与稳定分析2拱坝的应力与稳定分析3土石坝的应力与稳定分析4地下洞室的应力与稳定分析计算目的校核坝体的应力校核坝基坝肩稳定为孔口配筋提供依据论证拱坝体形的合理性论证坝肩坝基加固措施的可行性高坝结构有限元分析过程（拱坝）合理地概化几何模型有限元网格的剖分边界条件和荷载的施加材料本构模型的选择施工工程的模拟计算成果的整理、评价几何模型的概化坝体的孔口闸墩坝基——岩块、断层、节理、夹层计算范围的选取平面计

2、算/三维计算有限元网格的剖分原则——关心的部位网格应该密，疏密均匀过渡单元选择——尽量采用四节点的接近于正方形单元（平面），八节点的立方体单元（三维），以保证单元插值精度在同一个连同域内单元应该共节点、共边、共面拱坝横缝的模拟拱坝的横缝是各相邻坝段间的接触界面，在求解之前，接触表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定，横缝可传递法向压力和不超过接触界面间的最大摩擦力的剪力拱坝横缝的模拟拱坝横缝的模拟坝体接缝灌浆前横缝按接触单元考虑灌浆后水平方向坝体形成完整拱圈，按整体无缝计算横

3、缝的等效弹模取为混凝土块体弹模的80%，如无试验参数，横缝抗拉强度取块体抗拉强度的0～30％施工工程的模拟坝基地应力的模拟构造应力强烈：采用实测资料进行地应力反演无构造应力：近似施加自重荷载模拟坝体蓄水过程的模拟分若干荷载步施加上游表面水压力和淤沙应力坝体施工过程坝体混凝土在分层浇筑的过程中体形不断变化，计算时可用单元生死来模拟这一过程根据坝体的浇筑过程沿着水平方向将坝体分成若干个浇筑层。在计算时，将坝体单元按照从坝基到坝顶的浇筑顺序，分成若干荷载步，依次激活，依此类推，直至到坝体的最顶层浇筑层浇筑完毕坝体施工过程在

4、计算过程中，随着坝体单元的逐渐激活，相应的自重荷载、由温度场计算得到的相邻时间步的温度荷载以及相应大坝上下游的水压力荷载也同时施加。这样就可以仿真计算大坝从施工期到运行期全过程的温度场和应力场计算成果的整理、评价溪洛渡正常工况坝体垂直向位移云图（单位：米）计算成果的整理、评价顺河向位移（单位：米）计算成果的整理、评价横河向位移（单位：米）计算成果的整理、评价坝顶位移矢量附图（单位：米）计算成果的整理、评价第三主应力（单位：Pa）计算成果的整理、评价第一主应力（单位：Pa）计算成果的整理、评价顺河向正应力铅直向正应力计

5、算成果的整理、评价等效塑性应变（超载系数K＝6.5）拱坝应力控制标准压应力控制标准混凝土容许压应力等于混凝土极限抗压强度除以安全系数，对于1级拱坝，基本组合安全系数采用4.0，非地震工况特殊荷载组合安全系数采用3.5拱坝应力控制标准拉应力控制标准（拱梁分载法）基本组合容许拉应力[σ拉]=1.2MPa，非地震特殊组合容许拉应力[σ拉]=1.5MPa拉应力控制标准（弹性有限元法）基本组合容许拉应力[σ拉]=1.5MPa，非地震特殊组合容许拉应力[σ拉]=2.0MPa（采用等效应力）有限元等效应力等效应力法的基本思想就是将

6、有限元计算的应力分量，沿断面积分，得到内力，然后用材料力学法计算断面上的应力分量拱坝抗滑稳定安全标准刚体极限平衡法抗剪断公式剪摩公式拱坝抗滑稳定安全标准强度参数取值标准f1、c1—抗剪断摩擦系数、凝聚力，取材料的峰值强度的小值平均值f2—对于脆性破坏的材料，采用比例极限；对于塑性破坏的材料，采用屈服强度；对于已经剪切错动过的材料，采用残余强度拱坝抗滑稳定安全标准刚体极限平衡法拱坝抗滑稳定安全标准拱坝抗滑稳定分析的有限元法超载法、强度储备系数法、能量法拱坝规范未对有限元稳定分析结果作出规定（有限元网格、材料模型、计算程

7、序、失稳准则等原因）一般拱坝超载法在3.0以上、强度储备系数法在2.5以上本章结束！！