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石膏山拱坝空间有限元弹塑性分析

武启斌  
【摘要】:拱坝的应力分析问题是进行拱坝设计和分析中的重要内容。随着计算机应用技术的发展,有限元法(FEM)得到广泛应用。有限元法在计算拱坝应力时不但能考虑拱坝与地基的整体作用效应,而且可以考虑坝体孔口、廊道等孔口应力分布影响并进行各种复杂条件下的应力分析,这是拱梁分载法办不到的。温度作用是拱坝设计中的一项重要荷载。实测资料分析表明,在由水压力和温度变化共同引起的径向总变位中,后者约占1/3~1/2,在靠近坝顶部分,温度变化更为显著。因此,通过研究给出温度变化对拱坝坝体的影响变得极其重要。 本文运用ANSYS软件,对山西省重点工程项目石膏山单曲重力混凝土拱坝建立了空间三维非线性有限元模型,提出将坝体-坝肩山体-地基岩体整体建模,并考虑坝体溢流孔及廊道的联合作用分析方法。对温度变化影响下结构各部分应力、位移变化情况进行了非线性有限元分析讨论,重点研究了坝体水平荷载和竖直荷载共同作用下坝体应力、位移情况。本文提出的坝体-坝肩山体-地基岩体整体建模的联合作用分析方法对工程中类似问题的解决具有参考价值,并且模型计算结果对工程设计与施工有指导意义。 采用三维非线性有限元理想弹塑性模型进行分析计算,研究内容及其主要成果如下: 1、温度变化对结构变形的影响:坝体在温升工况下整体向上游变位,越靠近坝体上游侧向上游变位越大,同一高程上,上游侧变位大于下游侧。坝体在温降工况下整体向下游变位,越靠近拱冠梁处向下游变位越大,同一高程上,上下游变位基本一致。 2、温度变化对结构应力的影响:正常水位温升工况下,拉应力区主要集中在约1/2-1倍坝高的溢流堰两侧,在溢流堰附近出现最大值,最大值为1288KPa。闸墩最大拉应力主要集中在闸墩上侧靠近坝顶部分,闸墩最大拉应力值不大,分布在右侧闸墩上侧,值为1055KPa;在坝体的两坝肩处出现较大压应力,最大值为6612KPa,闸墩压应力都低于2259KPa。正常水位温降工况下,拉应力区主要集中在约1/3-1倍坝高的坝体部分,在拱冠附近出现最大值,最大值为1530KPa。闸墩最大拉应力主要集中在闸墩上侧靠近坝顶部分,闸墩最大拉应力值不大,分布在左侧闸墩上侧,值为1849KPa。在坝体的两侧坝肩出现较大压应力,最大值为5164KPa,闸墩压应力都低于3173KPa。 3、孔口、廊道对结构应力的影响:坝体孔口、廊道对变形、应力影响显著,引起应力分布变化。在正常水位温升工况下,下游溢流孔口周边出现了局部的应力集中现象,最大应力分布区出现在溢流孔口和左侧闸墩结合处,最大拉应力值1994KPa,同时此区域还是塑性应力发展区,最大等效塑性应变为0.19mm。在正常水位温降工况下,下游溢流孔口周边也出现了局部的应力集中现象,最大应力分布区出现在溢流堰与左侧闸墩结合处还有左右两侧闸墩与坝体结合处,最大拉应力值4660KPa,同时此区域还是塑性应力发展区,最大等效塑性应变为1.46mm。拱梁分载法无法反应孔洞应力集中的局部应力,而孔口应力分布集中通过有限元法可以得到分布成果。 4、结果比较:两种工况下坝体大部分区域拉应力和压应力值都符合设计要求,在局部溢流堰附近出现局部拉应力过大的现象,在温升工况下两坝肩角点处出现了很大的压应力。 5、温度变化对于拱坝结构的变形和内力有较大影响,因此拱坝结构设计必须重视温度荷载作用。


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