有限元等效应力法在高拱坝应力分析中的适用性研究

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1、浙江大学硕士学位论文第l章绪论世纪九十年代初我国一些学者提出了有限元等效应力法，它在有限单元法计算结果的基础上对其进行结构力学处理，在一定程度上削除了单纯有限单元法的应力集中效应，使有限单元法在拱坝设计中的广泛应用成为可能。1．2．2有限元等效应力法原理概述有限元等效应力法是在有限元计算结果的基础上应用材料力学方法对其进行线性化处理的拱坝应力计算方法，目的在于有效削除有限元法计算拱坝应力时的显著应力集中。另外，李同春等提出了改进的拱坝等效应力分析方法m1；章杭惠等提出有限元内力法‘3纠。这些方法与等效应力法原理相似。有限元等效应力法采用与弹性

2、壳体理论相似的假设，即假设拱坝中面法线在变形后仍为直线，当壳体厚度远小于中面法线时，正交坐标面上的三个主要应力分量(平行于中面的两个正应力与平行于中面的一对剪应力)沿壳厚按直线规律变化。根据上述拱坝应力分布的假设，在用弹性有限单元法求得拱坝应力后，便可以用等效应力法求出拱坝上下游面的三个应力分量，然后由该处微分体的平衡条件求得另外三个应力分量，进一步的就能够确定拱坝上下游面的主应力¨6。。1．2．3等效应力控制准则研究现状傅作新等人在其文章u引中建议采用等效应力法进行高拱坝强度设计时可以考虑以下几点原则：(1)由于拱坝的控制应力一般发生在坝基

3、面上，在此处，有限单元一一等效应力通常大于试载法应力，据不全面分析，增大约10％～20％，因此按等效应力校核拱坝的强度时，相应的抗压安全系数可降低到3．4左右(具体数值需经较多拱坝的统计分析后决定)。(2)拱坝的抗拉强度指标，建议取抗拉安全系数接近于l但大于1的值。同时，为了限制局部开裂的深度，应对自重和水沙荷载所引起的控制截面的拉应力与压应力之比，规定一个最大值(例如1／3～1／4)。在上述应力比中不考虑变温荷载是因为变温应力将随结构开裂而消失(应力比的数值也应通过对已建成高拱坝的详细分析确定)。4浙江大学硕士学位论文第1章绪论而钱向东在此

4、基础上进一步提出了等效应力法的控制标准吻1，这个标准对压应力和拉应力采用不同的控制方法。(1)压应力准则对于压应力，建议继续采用现行规范的准则，要求拱坝的设计最大压应力满足吒m强≤【吒】(卜1)其中允许压应力【吒】等于混凝土的极限抗压强度除以安全系数。由于有限元等效应力法与试载法的最大主压应力结果比较接近，可继续采用现行规范的安全系数，即在基本荷载组合下疋=4．0，在特殊荷载组合下疋=3．5。考虑到建筑物的重要性和级别后，应适当调整安全系数，以适应不同等级的建筑物对安全度的要求。(2)拉应力准则‘要想解决高拱坝拉应力难以满足允许拉应力要求的问

5、题，建议在保证抗压和稳定安全度的前提下，允许拱坝发生局部的开裂呤0l。拉应力控制标准采用以下两条：(a)拱坝的拉应力在基本荷载组合下不得大于1．2MPa，在特殊荷载组合下不得大于1．5MPa；(b)当(a)不能满足时，要求最大拉应力截面的上下游面拉、压应力之比值小于1／3。此外，朱伯芳等学者对小湾、溪洛渡、二滩等高拱坝进行应力研究后提出在旧规范[4H应力控制标准的基础上，以有限元等效应力值乘以一个修正系数的方法进行应力校核。对于高拱坝，主压应力系数为1．00，主拉应力系数为O．75H引。我国(DL／T5346-2006)《混凝土拱坝设计规范》

6、(下称《规范》)对等效应力法计算结果作出了一定的规定‘2引，要求：1、无论是拱梁分载法或有限元法，拱坝应力都应满足式(9．3．2)(此处指分项系数极限状态表达式)的要求。持久状况、基本组合情况下，采用拱梁分载法计算时，坝体最大拉应力不得大于1．2MPa；采用有限元计算时，经等效处理后的坝体最大拉应力不宜大于1．5MPa。短暂状况、基本组合情况下，未封拱段最大S浙江大学硕士学位论文第1章绪论拉应力不宜大于0．5MPa。⋯⋯4、对于200m以上的高坝，其拉应力控制标准应作专门研究。有限元等效应力法在高拱坝分析设计的应用还不成熟，有待探究的问题还不

7、少。因此，随着工程实践和技术的不断发展，为了充分发挥有限单元法在拱坝分析设计中的优势并避免其理论上的缺陷，有必要对有限元等效应力法应用于高拱坝应力分析时的可行性作进一步的研究。1．3本文主要研究工作本文以锦屏一级拱坝工程为背景进行有限元等效应力法在高拱坝应力分析中的适用性研究。锦屏一级拱坝采用ANSYS有限元软件进行坝体应力分析。实例分析包括线弹性等效应力分析和非线性开裂分析，将两者分析结果进行对比，以研究等效应力法在高拱坝应力分析中的适用性。首先进行坝体线弹性应力分柝。坝体和基岩都用六面体单元，沿厚度方向剖分成三等分。为了使坝体单元剖分更合

8、理，坝体和基岩接触处可用六面体单元进行剖分，并且在拱坝和基岩的界面上布置一层薄层单元，以便得到反映坝基面处拱坝应力水平的稳定解。弹性模量等材料参数采用设计值。坝体荷