有限元技术在碾压混凝土坝应力计算中的应用

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1、第36卷第29期山西建筑VoI_36No．29·358·2010年10月SHAi)(IARcHIrE(瓜IOct．2010文章编号：1009—6825(2010)29-0358—02有限元技术在碾压混凝土坝应力计算中的应用高永辉王新建摘要：介绍了碾压混凝土坝筑坝技术是一种新型筑坝技术，它成功地将混凝土坝结构与土石坝施工方法两者的优越性紧密的结合起来，通过对其结构特性的分析，对层间应力做了系统的研究，建立有限元等效模型，提出求解层间应力的方法，并通过工程实例验证了此方法的实用性。关键词：混凝土坝，应力，

2、有限元，稳定分析中图分类号：TV642文献标识码：A碾压混凝土坝ICD(I日G。唧鳅。dI)am)筑坝技术是20世纪有限元计算的各层问单元的正应力与剪应力，由式Kt=70年代兴起的一种新型筑坝技术⋯1，是在常态混凝土坝与土石坝，可求得相应坝平面的点安全系数。的激烈竞争中产生的。‘混凝土坝的应力计算是坝体设计的重要内容，混凝土重力坝3工程实例计算分析规范中明确提出：要用有限单元法进行数值分析。有限元法在203．1工程基本概况世纪50年代起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析。有限单元某碾压混凝土重力坝，坝体

3、的基本断面为三角形，其顶点定法可以方便地处理坝体、地基等各种复杂的几何和构造、形状材在最高水位附近。坝体上游面660m高程以上为垂直面，660m料分区、模拟施工过程和加载顺序，也能方便地解决各种场问题，高程以下为1：0．2的斜坡面。坝体下游面732．788rn以上为垂还能进行塑性分析。直面，下游坝坡1：0．7。坝顶高程为745．50rn，坝顶宽10m，坝顶1碾压混凝土坝ANSYS数值计算总长1489．00iTI。坝基最低高程为622．0ITI，最大坝高123．51TI。计算程序：本文采用ANSYSIO

4、．0[3j有限元计算程序。AN—坝体由62个坝段组成。SYS软件能够进行结构、热、流体、电磁、声学等学科的研究，广泛3．2应力计算应用于土木工程、地质矿产、水利、铁道等一般工业及科学研究。1)坝体自重。在计算自重时，本工程碾压混凝土的密度采用网格划分：网格划分在有限元计算中直接关系到计算精度的241kN，o高低。因此，在网格划分中要消除因应力集中而导致的精度降2)正常蓄水位的静水压力。本工程正常蓄水位为739．00m，低，在坝踵应力集中的区域，必须用适当的宽度细化网格。本文因为本工程660m高程以下为

5、1：0．2的斜坡面，所以计算时将水在用有限元法计算碾压混凝土重力坝坝体应力时，在距离上游坝压力分解为水平分力P和垂直分力，后者即为水重，其计算公踵0．05B的范围加密网格。坝体下部适当采用较小网格，单元体式为：11一选用Solid65，具体尺寸为4rflX31TI×2m；坝体上部适当采用较=寺pogH2；V=—争npoH2。大网格，单元体也选用Solid65，具体尺寸为5ITIX4m×3m。其中，P0为水的密度，lD0=10。kg／m3；g为重力加速度；H为由有限元通用程序ANSYS得到计算结果，可以

6、得到单元各正常蓄水位，本工程H=117m。个节点的应力应变值，即可求得各单元的平均应力值。通过求得3)扬压力[。计算对象为主河床坝段，主河床坝段采取了副的各单元的平均应力值，进一步由剪应力互等定理求得各个典型排水降压措施，即在上游基础主排水廊道的下游侧623．0m高层面上正应力和剪应力的精确值。程，平行坝轴线布置三排副排水廊道，以起到降低坝基主排水下2碾压混凝土坝抗滑稳定分析游侧坝基扬压力的作用，其中，1=0．2，a2=0．5，H1=117m为碾压混凝土坝的层间应力与稳定分析通常有材料力学法和上游水深

7、，／-／2=23m为下游水深。有限元数值方法。4)淤砂压力。淤砂压力的计算公式为：』碾压混凝土重力坝沿层面(含建基面)的滑动属于压剪破坏，=1(45。一鲁)。其破坏过程同时受到正应力和剪应力的影响，比单向受拉开裂过程要复杂得多。在本文中，着重点在于找出碾压混凝土坝抗滑稳其中，为淤砂容重，％=27kN／m3；h为死库容水深，h=定的薄弱面及计算抗滑稳定安全系数的大小。48m；为内摩擦角，=30。。求得坝体沿某一层面总的抗滑稳定安全系数。坝的应力与5)浪压力E5J。计算浪压力时，首先要确定波浪的高度2^与

8、稳定需满足：长度2L，浪高与波长可根据吹程与风速结合水库所在位置的地l≥0形采用半经验公式计算，我国重力坝设计规范推荐官厅水库公式{Ks≥[k]。如下：其中，为坝体的主应力(压为正)；[k]为允许安全系数，其2h=0．0166D专：2L=10．4(2h)0。。。值为3．0左右。其中，口为多年平均风速，=4m／s；D为吹程，D=6．5km。收稿日期：2010—0611作者简介：高永辉(1983．)，男，助教，商丘师范学院建筑与土木工程系，河南商丘47600