模拟浇筑程序下的拱坝体形优化.pdf

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1、10水利建设与管理·2011年第5期单元划分坝体及坝基，以形成有限单元模型，通过单元生死的运用，模拟重力荷载按工程浇筑程序分步作用情况；针对拱坝所受温度荷载的不同，依据稳态温度场分布和影响情况，运用有限元应力分析理论，把温度荷载作为耦合荷载的形式对拱坝进行应力分析，确定状态变量和目标函数；最后，对拱坝重力荷载分步作用和整体作用两种情况下的优化结构进行对比分析。通过对比可知，在拱坝进行优化分析时考虑施工过程，所得拱坝体形优化结果一更加接近实际，优邑化后的坝体体积较小，节省工程量及工程投资。2基于ANSYS的拱坝体形优化2．1拱坝模型参数化2．1．1坝基参数

2、化拱坝是嵌固在基岩上的空间壳体结构，拱坝的开挖线根据地形、地质、河谷形状等条件的不同，开挖面一般是不规则的曲面，因而不适宜用一个统一的方程来描述实际的开挖面，同时开挖面是设计人员给出的，具有不确定性，且开挖线的形状对拱坝结构应力分析的成果影响很大，宜在两岸根据设计的开挖线通过控制点连曲线的方法拟合开挖线，将坝基进行参数化。坝基参数化的关键问题是如何确定坝体与坝基的连接情况。本文将拱坝与两岸的接触面简化为一平面。根据圣维南原理，拱坝基础越大，则基础边界约束条件对坝体的应力和位移的影响越小。根据经验，以坐标原【摘要】本文以有限元软件ANSYS10．0为平台，

3、通过单元点为基准，向轴的正负方向分别延伸2倍坝高，Y轴的生死的运用，模拟重力荷载按工程浇筑程序分步作用情况，同正负方向也分别延伸2倍坝高，坝基底部向z轴的负方时针对拱坝所受温度荷载的不同，依据稳态温度场分布和影向延伸2倍坝高，以此对坝基进行参数化。响情况，把温度荷载作为耦合荷载的形式对拱坝进行应力分2．1．2坝体参数化析。通过将模拟坝体施工浇筑过程和体形优化设计有效地结合起来，得出了更加实际的拱坝体形。拱坝坝体的参数化设计，主要通过拱冠梁剖面和水【关键词】混凝土拱坝抛物线有限元分层浇注ANSYS平拱圈，即“拱向”和“梁向”两部分来实现。a．拱冠梁参数化设

4、计。拱冠梁的参数化主要是确定l引言上游面曲线方程形式及拱冠梁厚度。上游曲面为二次曲拱坝体形优化是在已有的地形、地质及荷载作用下，线，其方程如下[]：利用数学规划，寻找合理的体形，其目的在于应用，应更f=0，当y=0时好地结合施工过程，满足实际要求。在混凝土拱坝的施工=叶6y+c{=死，当y=m~／时过程中拱坝是分层浇筑的，施工过程对坝体的应力场有I~=-／3，当y=H时着重要影响。若不考虑真实的施工过程，忽略自重荷载的式中坝高；加载路径和结构体形的变化，将会给拱坝的设计结果带口，b，c——二次式的系数；来误差。，卢，卢厂—设计参数；本文以有限元软件ANS

5、YS10．0为平台，采用合适的——拱冠梁坝底宽度；林骞等，模拟浇筑程序下的拱坝体形优化——拱冠梁坝顶宽度。及引水发电等建筑物组成。坝址选择处宽高比2：1，为v各设计参数的取值范围为：Or=0．55～0．65，=O．3～0．7，形河谷，谷底对称，宽50m。平面上呈向下游收缩的喇叭=0．5~0．750形，坝肩岩体坚硬完整，风化深度浅，可看作整体无裂隙。确定拱冠梁厚度：由经验可知，拱冠梁的厚度变化规拱坝最大坝高100m，左、右岸顶拱拱圈中心曲线在坝肩律是从坝顶到坝底逐渐变厚的，因此选取坝顶宽度、坝的交点位于同一条水平线上，坝顶处左、右拱轴线弦长分底宽度瓦作为设

6、计变量。假定拱冠梁厚度变化服从指数别为115m、85m。坝体的材料参数见表1。规律变化，厚度变化方程如下：表1材料参数(z)=+(一)(寺)参数材料密度弹性模量泊松比线膨胀系导温系数式中，r为指数，r=l～5，可以取为常数，也可以作为设(kg／m3)(MPa)数(1O1℃)(m3／月)计变量参与优化，本文将r取为常数，令r=l。混凝土拱坝24．520O．171．03．O综上所述，在拱坝体型设计中，用参数Ot、卢、、Tb、基岩22170．23．O3．0就可确定坝体拱冠梁的形状，即拱坝铅直剖面的几何形状。3．2温度荷载作用b．水平拱圈参数化设计。水平拱圈中心

7、线采用抛物对拱坝来讲，温度荷载是拱坝设计中的一项主要荷线形式，左、右岸坝肩选定在一条水平线上。坝肩厚度类载。本文主要考虑温升情况，温度荷载是以封拱温度场为似于拱冠梁厚度变化规律，坝肩厚度的变化由坝顶处厚初始温度场的坝体温度场变化，确定计算模型温度边界度，通过指数形式变化到坝底处的厚度，取设计变量为坝条件，边界温度按年变化取值，并进行有限元温度场计肩、坝顶处的厚度。算，然后，将温度场与封拱温度的温差作为温度荷载对拱水平拱圈的抛物线参数方程如下：坝进行应力分析，作为拱坝所受荷载的一个荷载步。f一2在变化的温度场中，温度应力的极值比气温极值一{Ra，)，_yc

8、+奇般滞后1-1．5个月，气温通常1月中旬最低、7月中旬最式中R——抛物线在顶点