论拱坝应力控制标准.doc

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1、论拱坝应力控制标准摘要：实践经验表明，我国现行混凝土拱坝设计规范存在下列问题：允许应力与建筑物重要性无关，允许主拉应力与混凝土强度无关，拱坝应力分析主要采用多拱梁法和有限元法，但同一拱坝用不同多拱梁法程序计算的结果并不一致，尤其是拉应力相差较多，有限元法具有较强计算功能，但由于应力集中，计算的应力值很大，缺乏合适的应力控制标准。通过对影响拱坝允许应力的各项因素进行较深入的分析，本文提出了一套新的拱坝应力控制标准，使上述各问题都得到了解决。关键词：拱坝允许压应力允许拉应力有限元法　1前言　　允许应力对于拱坝的经济性和安全性具有决定

2、性的影响。《混凝土拱坝设计规范SD145-85》[1]自1985年颁布以来，在指导我国拱坝设计方面发挥了重要作用，但十几年的实践经验说明，现行规范也存在着下述问题：①允许应力与建筑物重要性无关，设计一座坝高200m、库容几百亿m3的大拱坝与一座坝高30m、库容几百万m3的小拱坝，尽管库容相差上万倍，但采用的应力控制标准相同，显然是不合理的。②允许主拉应力与混凝土强度等级无关，对于C35混凝土与C25混凝土，允许拉应力完全相同，明显不合理。③多拱梁法是设计拱坝体形的主要方法，但同一拱坝用不同程序计算的结果并不一致，尤其是拉应力相差

3、较多，而对于高度150m以下的拱坝，允许拉应力往往是断面设计的控制因素，不同程序算出结果不同，难以处理。④有限元法具有较强的功能，但由于应力集中，算出的应力数值往往很大，缺乏合适的应力控制标准。　　本文首先研究有限元法的应力控制标准，然后对影响拱坝允许应力的各项因素进行深入的分析，在理论分析和总结国内外拱坝建设实践经验的基础上，提出一套新的拱坝应力控制标准，使上述各问题都得到了较好的解决。本文是“九五”国家科技攻关《高拱坝结构问题研究》专题（编号96-221-04）研究成果的一部分，参加工作的还有董福品、杨波、李雪春、许平、王树

4、和、邹丽春等同志。　　2有限元等效应力法　　有限元计算功能很强，但由于存在应力集中现象，过去没有合适的应力控制标准，计算结果只能供设计参考，不能作为设计依据。我们研究了以下两种有限元应力控制方法。　　2.1限制拉应力范围5　　限制拉应力范围不超过坝体厚度的15～20%，不限制应力数值，我们计算过13个已建拱坝，发现只有一个拱坝能满足这一要求，而且不少拱坝冬季上部全断面受拉，这些工程都已正常运行多年。另外，有限元计算的压应力也有应力集中现象，因此这一方法是不可行的。　　　　3拱坝设计应力　　今将拱坝在设计荷载作用下在坝内产生的应力

5、称为设计应力。　　3.1拱坝设计应力表达式　　　　　　　　　　　　　拱坝接缝是自下而上分区进行灌浆的，因此拱坝是自下而上逐步形成整体的，这一施工过程对自重应力有相当大的影响，目前工程设计中用有限元计算坝体应力时，往往忽略了这一因素而按整体计算自重应力。我们用三维有限元法对小湾拱坝进行了计算，一种是不考虑施工过程，自重按整体计算，最大主拉应力为3.80MPa（有限元等效应力）；另一种是考虑施工过程，接缝分9步灌浆，最大主拉应力减小到1.54MPa。可见考虑施工过程计算自重后，最大主拉应力减小2.26MPa，坝踵受拉范围也明显减小（

6、见李雪春、朱伯芳、高永梅等，施工过程、岩面水压及横缝对拱坝应力的影响，中国水利水电科学院，2000年5月）。　　实践经验表明，经过灌浆的横缝，可以很好地传递压应力，但很难有效地传递拉应力。横缝不抗拉使拱的拉应力得到部分释放，拱的变位增加，从而对拱坝整体应力状态产生影响。我们用非线性三维有限元对小湾拱坝应力状态进行了分析，完全模拟实际工程，坝内设置了47条横缝，两条横缝之间设两个实体元，横缝用缝单元模拟，分别对横缝抗拉（线弹性）与横缝不抗拉（非线性）进行了计算，计算结果发现，横缝不抗拉只对横缝附近拱向应力有影响，对整体应力状态影响

7、极小，上、下游面最大主拉应力和最大主压应力几乎没有变化，过去有人认为，因为有横缝，拱坝内拉应力几乎不存在，现在看来这种认识是不符合实际的。总之，横缝对拱向应力的影响较大，对整体应力的影响较小，当横缝受拉深度较小时，对整体应力的影响很小，但当横缝受拉深度很大时，横缝对整体应力的影响可能相当大，例如，严寒地区的薄拱坝以及拱坝在低水位遇强烈地震时，横缝影响均不容忽视。5　　　　4混凝土可用强度　　拱坝内部应力是三维的，但控制应力多在上下游面近基础部位，该处受力条件较复杂，但3个主应力中往往有1个甚至2个是拉应力或很小的压应力，因此采用

8、单轴强度作为控制标准较为合适。　　《水工混凝土结构设计规范DL/T5057-1996》[5]定义混凝土强度等级C为15cm立方体试件28d龄期95%保证率的抗压强度，与目前规定相比，变动较大。根据我国的实际情况，作者认为对于大坝混凝土，定义混凝土强度等级C90为